全面剖析我國植保無人機應用現狀

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我國的農藥利用率僅有20%,大部分都流失在環境中,造成環境的汙染、資源的浪費,因此急需先進的施藥技術和施藥器械。

从国外的農業发展来看,使用飞机进行航空施药是目前较为高效的施药手段。航空施药可以及时有效地控制大面积病虫害的发生,与地面喷雾相比,具有工作效率高、不受地形因素的限制、施药均匀且穿透性好等优点。同时,施药时人机分离,能够降低药剂对人的影响,飞机产生的下旋气流可有效减少药剂的漂移,减少对环境的危害。

基于上述航空施藥器械的優點以及我國國土面積廣闊、地形複雜和種植模式多樣化等因素,航空施藥的使用更符合我國當下的國情,因而具有推廣使用的潛在價值。

國外航空施藥技術的發展

最初,由德國提出利用飛機噴灑農藥對森林病蟲害進行防治。

1918年美國首先用飛機噴灑砷制劑用于牧草害蟲的防治。此後,其他發達國家也開始用飛機防治病蟲害。

二战以后,随着新型化学农药的大量开发,新型农药对药械发展需求加强,同时战后大量飞机被转移运用到農業上,促进了航空施药技术的发展。20世纪 50年代以后,施药专用的農業航空机被相继开发出来, 直升机也被开发用于航空植保。

美国是世界上農業航空技术最发达的国家,具有先进的航空植保机械以及完善的農業航空组织体系。

美国在航空施药领域也使用了国际上最为先进的施药技术。美国拥有农用飞机约9000架(13%为农用直升机),实际在用的飞机大约4000架,在册的农用飞机驾驶员2000多名, 美国65%的化学农药采用飞机完成喷施,年处理耕地面 积超过120万hm2,占总耕地面积的50%以上,平均2万hm2 耕地拥有一架农用飞机。

美国的农场规模化生产模式, 逐步建立了以航空植保机械与大型植保机械为主的病虫草害防治体系。

1966年,美国成立了国家農業航空协会,据该协会统计,農業航空现承担美国近20%的农场植保与100%的森林植保工作,每年農業航空完成的农田作业面积达2800余万hm2。

在防治对象方面,截至2012年,農業航空已几乎应用于所有种类的作物,其中以玉米、小麦、大豆、牧草、苜蓿5类作物防治面积最广。目前,美国航空農業飞机以固定翼飞机为主,约占87%,旋翼飞机 直升机则约为13%。

日本最先将无人直升机用于農業生产,经过多年的发展,日本成为该领域最发达的国家之一。

日本国土面积比较小、而且多山地,耕地少、農業经营规模小,大型的植保器械很难适应,因而日本选择发展外形尺寸小、 机动灵活、操控简便、单位面积施药液量小、作业效率高的无人机。

1985年,日本Yamaha公司最先推出第一架农 用“R-50”型无人机,主要用于航空施药。

从1995年到 2005年10月底,日本具有登记的植保无人机从307架增加到2002架,平均年增长13.8%。用于林业建设的无人 机,仅Yamaha公司的Rmax系列就有1200多架,防治面积 从20万hm2增加到60万hm2,超过有人驾驶直升机的防治面积。 

截至2012年,日本农用无人机年工作面积达到 96.3万hm2,占种植面积的50%~60%,拥有无人直升机 2346架,无人机操控手14 163人。自2015年起,一些公 司开始推广多旋翼无人机。

國內航空施藥技術的發展

我国航空施药起步相对较晚,其最早可追溯到20世纪50年代初,当时以载人固定翼飞机为主,例如“Y-5B (D)”、“Y-U”等,并在很长一段时间内占据飞防的主要地位。

20世纪90年代,开发出了专门配置于轻型飞机如 “海燕”等的农药喷洒设备,可广泛用于大田作物如小麦、 棉花等的病虫害防治,并可用于化学除草、森林病虫害 防治、草原灭蝗、叶面施肥、喷施棉花落叶剂等。

1995年, 北京科源轻型飞机实业有限公司开发的“蓝鹰AD200N” 开始用于飞防实践,主要用于农田、林区的病虫害防治 以及卫生防疫等,并且防效高,用药液量少。

1999年,中 国林业科学研究院在“海燕650B”型无人机上融合了超低容量喷洒装置和GPS导航系统,并在广西省武鸣林区进行病虫害的防治试验研究。目前,我国有农林使用的固定翼飞机1400架,直升机60余架,使用固定翼飞机和直升机防治农林业病虫草害和施肥的面积达到200多万hm2, 并且此数字有进一步上升的趋势。但我国与美、日、德等航空植保发达的国家仍存在巨大的差距,在农用飞机拥 有量、年飞防面积和使用技术方面仍比较落后。

目前国内常用的农用植保无人机主要有“天鹰-3”、 “Z-3”、大疆“MG-1”、单旋翼“CAU-WZN10A”与多旋翼“3WSZ-15”等。

近10年来低空低量作业植保无人机发展迅速。据農業部统计,截至2016年5月,全国在用的农用无人机共178种,可适用于不同的施药条件,喷雾作业效率高达6 hm2/h,能及时有效防治作物病虫草害。

目前农林航空作业33 158 h,主要用于黑龙江、内蒙古、新疆与河 南等粮食作物主产区,但不足全部植保作业面积的3%。据農業部报道,2018年高效植保机械需求旺盛,植保无人机将持续升温,预计需求量在8000架次左右,作业面积预计达到2亿亩次。目前,全国農業航空技术95%以上用于航空植保作业,还有5%左右用于农情信息获取、航空拍摄、农作物的辅助育种等。

国内使用的农用植保无人机按动力可分为电动和机动2种,按结构主要分为单旋翼和多旋翼2种,种类繁多,空机重量差异大,低空作业一般在5 m以下,飞行速度慢。 

电动无人机的动力核心是电机,电动无人机操作灵活,起降快,载药液量小,单次飞行时间短,电池续航 是限制其使用的主要因素之一。

机动无人机的动力核心是发动机,其灵活性差,需要一定的起降时间,但载药液量大,单次飞行时间可达1 h,对操作人员要求高,飞机维护成为其使用的垢病。单旋翼无人机的载荷量大,可载 5-20 L,部分机型可更高;多旋翼无人机多为电动,载荷量小,但其结构简单,飞行稳定,比较受新飞手的欢迎。

截至2016年,我国已有200多家无人机生产销售企业, 160多种农用无人机投入市场,在水稻、小麦、玉米、棉花和甘蔗等作物开展病虫害防治工作。实际效果证明,无人机航空施药符合实际应用的要求,处于快速发展阶段。

人为的控制无人机飞行与施药已不能满足当前農業的发展,随着精准施药的推行,人为控制的大面积喷洒逐渐显现出其弊端,开发先进的控制技术势在必行。

近年来随着信息技术的发展,越来越多的新技术与无人机联系起来,如遥感技术、GPS导航技术、GIS系统、DSS系 统等新技术的加入,促进航空植保的进一步发展。


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植保无人机在農業中的应用


无人机在農業中有多种用途,包括对病虫害的勘测评定、对病虫害进行航空施药防治以及森林火情勘察等。无人机可以适应不同的工作环境,工作效率高,对于一些高危险或人类活动难以到达的地方无人机都可以解决。

例如,在病蟲害勘察方面,結合先進的傳感器對病蟲害進行准確評價,利用計算機對數據進行處理,可以獲得最佳的防治策略;森林火情觀察方面,無人機具有較遠的視野和准確的探測能力;在航空施藥方面,無人機能夠適應不同的施藥環境,作業效率高,不受作物長勢限制,適應性廣,用藥液量少,有利于節省藥液,保護環境。

無人機在玉米中的應用

玉米作为食品原料、畜禽食料和工业原料,有较高的使用价值和经济价值。我国玉米产区遍布全国,玉米种植的优势区域主要分布在东北以及经黄淮海向西南延伸的广阔地区,据有关部门统计,玉米已成为我国 第一大粮食作物。

由于氣候改變等原因,玉米病蟲害高發。此外玉米生長環境特殊,高大密植,空氣不流通,施藥條件差,加之近年來銷售價格不理想,農民對防治玉米病蟲害的積極性下降。使用無人機可以對玉米的病蟲害及自然災害進行有效的監測,此外無人機施藥還解決了玉米田施藥難的問題,具有較廣闊的發展前景。

李紅軍等從2015年起,在應用數字圖像進行冬小麥、夏玉米氮素營養診斷研究的基礎上,運用機載數碼相機,研究不同航拍高度下冠層圖像相關色彩參數反演冬小麥和夏玉米氮素營養狀態的差異,建立利用無人機航拍數字圖像診斷冬小麥和夏玉米氮素營養狀態的模型。

結果表明,雖然此技術還有待進一步完善,但利用無人機搭載數碼相機對冬小麥、夏玉米進行氮素營養診斷是可行的。

李宗南等优化了利用无人机遥感技术获得玉米倒伏面积的方法,其利用无人机遥感试验获取红、 绿、蓝彩色图像,通过计算和统计正常、倒伏玉米的色彩、纹理特征,然后比较特征的变异系数和相对差异评选出适宜区分正常、倒伏玉米的特征,以此为基础能够准确的计算出玉米倒伏面积。此外,吴才聪等还建立了利用无人机预测玉米螟的空间分布半变异拟合函数和预测模型,为精准施药提供了理论技术基础,从而达到节约药剂和保护环境的目的。

2012年,高圓圓等利用AF-811小型單旋翼無人直升機施藥防治玉米螟,測定不同飛行參數下霧滴的沈積分布規律以及對玉米螟的防效。

研究结果发现,在飞行高度2.5 m,使用10%毒死蜱超低容量液剂的防治效果最好,其穗部雾滴数达到15.6个/cm2,防效高达80.7%;当使用42%毒死蜱乳油进行处理时仅有69.1%的防效,添加蒸发抑制剂后防效提高到75.8%;与自走式高杆喷雾机相比, 无人机具有省时、省工、省水的优点,但从防效来看,各项参数还有待进一步优化。杨帅等使用TXC-8-5-0-1 八旋翼无人机喷洒3%苯氧威乳油防治穗期玉米螟,对比 了不同的飞行高度、施药液量以及加入蒸发抑制剂对雾滴沉积分布和玉米螟防效的影响。

结果表明,飞行高度在2.0 m范围内,局度对无人机喷巾幅无影响,最佳飞行局度为距玉米冠层1 m,最佳防治施药液量为12 L/hm2,此条件下雾滴在穗部的沉积密度为20.4个/cm2,防效为79.6%。 此外,添加蒸腾抑制剂能够有效提高雾滴沉积数和防效。航空植保施药很好地解决了玉米田施药问题,玉米受病虫害影响显着降低,成为保证玉米优质、高产、稳产 最直接有效的方法之一。


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無人機在水稻中的應用


水稻是我国种植面积第二大粮食作物,种植面积达到306万hm2,自给率达99%以上,但由于土地分散,户均种植面积仅为1.15 hm2左右。水稻的播种、插秧及收获都实现了机械化,提高了工作效率,但水稻化学防治设备落后,仍停留在人工防治阶段,不仅造成人工上的浪 费,而且防治不及时极易错过最佳防治时期。 

随着水稻种植的产业化,药械的开发成为制约水稻病虫害防治的新问题。由于水稻生长过程中陆地机械难以下田作业,常规喷雾劳动强度大,且难以到达水稻中下部,作业效率低,对施药人员和环境也易造成伤害。鉴于此,植保无人机凭借用药量少、精准作业、劳动强度低等优点受到 欢迎,可达到对水稻病虫害机械化、专业化、一体化防治。

为了探究无人机施药雾滴在水稻冠层沉积分布规律,陈盛德等使用HY-B-10L型单旋翼电动无人机进行了相关研究,试验以丽春红作为示踪染料,利用Deposit Scan图像处理软件对雾滴的沉积分布结果进行处理。

结果显示,雾滴沉积量与飞行高度和飞行速度显着相关,随着飞行高度和飞行速度的增加,雾滴沉积量在逐渐下降,而且在施药过程中,药液的分布会受外界风场的影响。该结果全面地揭示了作业参数对航空喷施雾滴沉积分布结果的影响,对药液的合理喷施、提高喷施效率具 有十分重要的指导意义。

航空喷雾可以适用于水稻生长期的各个阶段,薛新宇等通过筛选N-3型无人机施药参数,研究了其对稻飞虱和稻纵卷叶螟的防效和应用前景。结果发现飞机在3 m高度下施药的效果最好,防效最高,此外与传统的担架式喷雾机相比,其效果更优。而且小型无人机体积小,灵活性高,地形适应性好,即使在丘陵地带也能发挥其作用。 

在水稻生长生理及病虫害状态监测方面,无人机也发挥了重要作用。秦占飞等使用无人机以及机载遥感技术测定了宁夏引黄灌区水稻叶片全氮含量,试验建立了水稻叶片全氮含量的最优估测模型,可准确测定水稻叶片全氮含量,为区域尺度水稻氮素含量的空间反演及 精准農業的高效实施提供科学依据和技术支持。

此外,近年来利用无人机对水稻进行授粉研究比较活跃。为提高杂交水稻机械化种植效率,李继宇等研究了利用无人机授粉时水稻冠层旋翼风场的分布规律。试验采用 18旋翼无人机对水稻授粉,建立水稻冠层处无人机旋翼 X向二维风场理想模型,为无人机辅助授粉通过改变风场实现新的作业方法提供参考。 

风场的覆盖宽度、风场内各方向风速的大小以及风场的分布规律将会直接影响到农用无人机田间作业的效果。此外,李继宇等还对不同飞行参数进行了筛选,试验选用SCAU-2型飞机,在飞行速度1.56 m/s、负载质量14.05 kg和飞行高度1.93 m时 具有较好的授粉效果。

然而不同类型的农用无人直升机的结构不同,旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场也有较大差异,对应的风速、风向和风场宽度等参数对花粉的运送效果直接影响到授粉的效果、作业效率及 经济效益。刘爱民等对无人机水稻授粉实验发现,相对人工授粉,无人机授粉的工作效率高、对植物的损害小,在水稻育种方面具有不错的发展潜力。


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無人機在小麥上的應用


我国小麦产量和消费量约占全国粮食总量的25%, 随着人口的增加和消费水平的提高,预计小麦消费量将会继续增加。

据估计,我国要保障2020年14.5亿人口的粮 食安全,小麦产量需在现有基础上增加28%。近半个世纪以来,小麦在育种、繁种、推广、生产等方面发展较快, 但面对集约化种植,劳动力资源匮乏的变化趋势下,病虫害防治方面就显得不尽人意,严重影响小麦的产量和品质。

在小麥生長和病蟲害監測上,無人機起了關鍵作用。和玉米、水稻相似,無人機能夠根據小麥生長狀況判斷小麥氮素的供求狀況,對氮素缺乏的區域可進行精准施肥,以降低資源的浪費和對環境的汙染。

無人機遙感技術還可以用于獲取小麥的育種信息,楊貴軍等開發了一套以多載荷無人機遙感爲平台的小麥育種信息獲取系統,該系統集成多光譜儀、高清數碼相機、熱像儀等多種傳感器,建立無地面控制點條件下的無人機遙感數據幾何校正模型,實現多載荷遙感數據的幾何校正。

该系统能够准确获取叶面积指数、作物倒伏面积、产量及冠层温度等育种关键表型参量,为研究小麦育种表型与 基因型关联规律提供辅助支持。此外,在小麦病害的调查中也有无人机的应用,乔红波等使用无人机数字图 像与高光谱数据融合技术调查了小麦全蚀病的发病情况,并对其进行分级;冷伟锋等使用无人机遥感技术对小麦条锈病进行监测,发现利用无人机遥感对小麦条锈病监测是可行的,并具有一定的发展潜力。

目前,在小麥幼苗期,雜草成爲影響小麥生長的最主要因素,尤其是安徽省和河南省。

宫晓玲等选用4种药械进行施药处理,并对防效进行比较,发现旋翼无人机施药相对于常规地面施药具有较好的田间防治效果, 具有推广价值。

朱德慧等在冬小麥田應用植保無人機開展化學除草,試驗結果表明無人機施藥具有較好的除草效果,有效控制了麥田雜草爲害且對小麥生長安全。

赤霉病、白粉病和纹枯病合称为长江中下游地区小麦上 的“三大病害”近年来有逐渐加重的趋势。   

陳銀鳳等利用多旋翼無人機探究對紋枯病、白粉病和赤黴病的防治效果,發現無人機能夠顯著提高噴霧效率,並且防效要優于傳統施藥設備。但對穗部的小麥赤黴病防效,無人機與傳統藥械無差異,甚至低于傳統藥械。

小麥鏽病和蚜蟲也嚴重爲害小麥,影響小麥産量的病蟲害。

楊福生采用2種藥械防治小麥病蟲害,發現人工背負式機動噴霧器的噴施防效略高于無人機。但無人機在病蟲害防治效率上更有優勢,具有施藥快、便于操作、節約防治成本等優點。

目前,无人机在小麦防治中展现了独特的优势,在小麦施药过程中也越来越普遍,尤其是在“一喷三防”技术指导下,利用无人机对小麦进行大规模喷药作业,每亩麦田完成作业只需2 mm,极大地提高了作业效率,保障夏粮丰收。


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無人機在棉花中的應用


棉花是关系到我国国计民生的重要战略物资,也是棉纺织工业的重要工业原料,在国民经济中占有重要地位。我国是全球棉花生产和消费大国,但近年来棉花生产面临着诸多的问题,棉花生产依赖人工,机械化水平低,大型植保器械伤害棉株和果实,病虫害防治效果差,植保技术落后。而无人机施药效率高,低空灵活作业,精准喷 防,大大减少劳动强度,为棉花生产机械化开辟了新的道路。

在棉花生産中也少不了對生長狀況和病蟲害的監測以及對病蟲害的防治。利用無人機影像光譜分辨率高的特點,田明璐等提取27個光譜參數,構建棉花葉片葉綠素相對含量的反演模型,並制作棉花葉片葉綠素相對含量分布圖。

结果表明,使用模型可得到理想预测效果, 可以作为棉花叶片叶绿素相对含量遥感监测的技术手 段。田明璐等还通过无人机成像光谱仪影像技术测定 棉花的叶面积指数,通过低空无人机遥感平台,使用新 型成像光谱仪获取的农田高光谱影像数据对棉花叶面 积指数进行反演,建立叶面积指数遥感估算模型,为农 作物叶面积指数遥感监测提供了新的技术手段。 

棉花上使用無人機施藥主要集中在蚜蟲防治和噴灑生長調節劑。

趙冰梅等使用KT-10-II型四旋翼植保無人機低空噴灑50%氟啶蟲胺腈水分散粒劑防治棉蚜,實驗結果表明,無人機飛防對棉蚜有較好的防治效果,繼續添加噴霧助劑可以進一步降低用藥量。

王元桃等于2017年使用大疆MG-1型植保无人机低空低容量喷雾与常规喷雾进行对比,结果表明,相对常规喷雾,植保无人机的工作效率高,防治费用成本低,防治效果好、省 工、省力、节约用水量。

杲先民等用大疆植保无人机喷 施棉花脱叶剂,试验表明植保无人机一次施药达到了与 机车二次施药相同的脱叶效果。总的来说,植保无人机对棉花施药具有良好的应用前景。


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無人機在林木中的應用


森林具有经济、生态和社会三大效益,为了实现林业的可持续发展,满足当今森林资源的精准化监测和信 息化管理,无人机及相关技术起到了举足轻重的作用。 无人机在林业建设中,主要应用于森林普查、林业资源调查、森林火灾监测和防火以及森林病虫害防治方面。

我國森林面積廣闊,對林業資源的調查和森林防火的難度特別大。

史潔清等研究利用高精度的無人機遙感影像來對林業資源調查,試驗結合攝影測量技術、無人機影像的後處理技術、地理信息系統技術和林業資源調查管理技術,開發了適用于林業資源調查和管理的專業林業資源調查系統,利用無人機影像數據實現林地空間區劃和高精度森林調查、信息提取等功能,通過此系統可實現資源數據庫的及時更新,極大地縮短了傳統調查模式的調查周期,實現了森林資源的科學化管理。

许子干等基于高分辨率无人机影像和激光雷达点云数据 估算亚热带天然次生林林分基本特征变量,构建林下高精度数字高程模型,可快速的反映出森林的林分特征。 无人机平台森林防火监测与报警具有运行费用少、操作简便、机动灵活等特点,在巡护监测林火中前景广阔。樊浩然等开发种基于红外探测器对森林起火点进行探测和报警,采用低成本4旋翼无人机为巡检平台,结果表明该系统能够快速、准确地对起火点进行定位,无需人员实时监视,为森林火灾预防及火灾的快速扑救指挥提供了一种解决方案。

对森林病虫害发生状况进行实时监测并准确评价,是提出防治策略、开展防治工作和提高防治效率的前提。借助于无人机,结合遥感、红外探测等技术对林区病虫害进行观察,可以了解病虫害发生的动态变化、找到病虫害发生的规律、整合分析并预测病虫害流行蔓延的趋 势,建立病虫害发生的模型,得出更长期且更有科学性的森林病虫害预测结果。在病虫害发生的初期做好预防工作,避免病虫害的进一步扩散、蔓延。