精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)展望

1 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高產(chǎn)量是人類(lèi)的主要目的，而農(nóng)藥的發(fā)明和使用則是關(guān)鍵手段[1]。但是，隨著現(xiàn)代生活質(zhì)量的提高，農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染和農(nóng)作物殘留的影響成為人們所密切關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)每年使用農(nóng)藥制劑達(dá)130萬(wàn)噸，單位面積農(nóng)藥使用量是世界平均水平的2.5倍，受污染的耕地面積達(dá)1.5億畝，約占可耕地面積的1/10，其中很大部分源于農(nóng)藥化肥的不合理施用[2-3]。2015年中央一號(hào)文件要求加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染治理，大力推廣低毒低殘留農(nóng)藥，農(nóng)業(yè)部也已通過(guò)化肥農(nóng)藥減施行動(dòng)方案，提出到2020年化肥農(nóng)藥使用量實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)。而近年來(lái)，我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空發(fā)展迅速，受到植保界的特別重視，是減少農(nóng)藥用量，降低農(nóng)藥殘留，提升農(nóng)藥防效的有力手段。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)主要是指利用各種技術(shù)和信息工具來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)航空作業(yè)生產(chǎn)率的最大化，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、土壤地圖、產(chǎn)量監(jiān)測(cè)、養(yǎng)分管理地圖、航拍、變量控制器及地面驗(yàn)證等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)。機(jī)載遙感系統(tǒng)可以產(chǎn)生精確的空間圖像來(lái)分析農(nóng)田植物的水分、營(yíng)養(yǎng)狀況，病蟲(chóng)害的狀況；空間統(tǒng)計(jì)學(xué)可以結(jié)合數(shù)據(jù)更好地分析空間圖像，通過(guò)圖像處理將遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成處方圖；變量噴施系統(tǒng)根據(jù)已給出的作物處方圖及航空噴施霧滴沉積模型控制噴施過(guò)程中的施藥量；精準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)需作業(yè)區(qū)域地圖規(guī)劃出施藥作業(yè)的航路圖，并準(zhǔn)確地使飛機(jī)沿著規(guī)定路線(xiàn)施藥，有效避免重噴和漏噴；地面驗(yàn)證技術(shù)可以通過(guò)地面的霧滴沉積結(jié)果來(lái)為航空噴施作業(yè)的決策進(jìn)行設(shè)計(jì)和指導(dǎo)；通過(guò)以上技術(shù)及設(shè)備的結(jié)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田作物的變量、精準(zhǔn)噴施的目的[4]。因此，本文通過(guò)對(duì)我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概括和總結(jié)，并預(yù)測(cè)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，指出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向，以期為國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的科學(xué)研究及應(yīng)用提供參考，加快我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展進(jìn)程。

2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 遙感技術(shù)

農(nóng)田作物信息的快速獲取與解析是開(kāi)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的前提和基礎(chǔ)，是突破制約中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵[5]。隨著人口的不斷增長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增加的需求，迫切需要改進(jìn)農(nóng)業(yè)資源管理。遙感技術(shù)可通過(guò)全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)來(lái)提高農(nóng)作物病蟲(chóng)害管理精度，幫組農(nóng)民獲取最大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)發(fā)展迅速，已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前，遙感主要可分為衛(wèi)星遙感、有人機(jī)遙感和無(wú)人機(jī)遙感。

競(jìng)霞等[6]利用PLS 算法和高分辨率IKONOS衛(wèi)星影像實(shí)現(xiàn)了棉花黃萎病病情嚴(yán)重的遙感監(jiān)測(cè)，篩選出了棉花黃萎病病情嚴(yán)重度遙感估測(cè)的敏感因子，研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)大范圍農(nóng)作物病蟲(chóng)害的遙感監(jiān)測(cè)具有重要的參考價(jià)值。張競(jìng)成等[7]采用環(huán)境星影像數(shù)據(jù)反演的各種植被指數(shù)，地表溫度及作物干旱指數(shù)，通過(guò)logistic回歸方法構(gòu)建了小麥白粉病的發(fā)生預(yù)測(cè)模型。馬慧琴等[8]采用不同的特征選擇算法分別用篩選出的landsat8遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)特征及2種數(shù)據(jù)特征相結(jié)合的方式構(gòu)建了小麥灌漿期白粉病的發(fā)生預(yù)測(cè)模型，并對(duì)多種不同數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了驗(yàn)證與評(píng)估，結(jié)果結(jié)果進(jìn)一步提高了作物病蟲(chóng)害發(fā)生的預(yù)測(cè)精度及可為其他作物病害遙感監(jiān)測(cè)提供方法參考。鮑艷松等[9]以航空影像、地面冠層光譜數(shù)據(jù)及同步觀(guān)測(cè)的植被生化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了冬小麥冠層氮素監(jiān)測(cè)的遙感方法，并生成了基于航空高光譜OMIS影像數(shù)據(jù)的變量施肥處方圖。汪沛等[10]通過(guò)對(duì)有人機(jī)搭載雙目多光譜圖像采集系統(tǒng)獲取的水稻遙感圖像進(jìn)行光譜校正，從而提高在陰影條件下水稻氮素水平檢測(cè)的精度。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有平臺(tái)構(gòu)建容易、運(yùn)行和維護(hù)成本低、體積小、質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)單、靈活性高、作業(yè)周期短等特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，大大地?cái)U(kuò)展了以航天、航空遙感為主的農(nóng)業(yè)遙感的應(yīng)用范圍，完善地面作物監(jiān)測(cè)體系，特別對(duì)于中小尺度的農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用能夠發(fā)揮更大的作用。喬紅波等[11]采用手持式高光譜儀和低空遙感系統(tǒng)對(duì)不同危害程度小麥白粉病冠層光譜反射率進(jìn)行了測(cè)定，通過(guò)線(xiàn)性回歸分析建立了低空遙感平臺(tái)光譜信息與作物生長(zhǎng)狀況指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明低空遙感系統(tǒng)可以無(wú)損、快速、大面積地對(duì)小麥白粉病進(jìn)行監(jiān)測(cè)。李冰等[12]設(shè)計(jì)了一種低空無(wú)人直升機(jī)搭載美國(guó)Tetracam公司的ADC 多光譜相機(jī)系統(tǒng)對(duì)冬小麥不同生育期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果表明利用植被指數(shù)閾值法獲取的SAVI（土壤調(diào)整植被指數(shù)）閾值能夠?yàn)榇竺娣e監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的覆蓋度和生長(zhǎng)狀況提供一種可行的手段。田振坤等[13]以冬小麥為研究對(duì)象，分析了無(wú)人機(jī)低空航飛獲得的高空間分辨率農(nóng)作物遙感影像特征，結(jié)果表明該方法從無(wú)人機(jī)高分辨率影像中提取不同種類(lèi)的農(nóng)作物分類(lèi)信息具有較高的正確率和普適性，兼具快速和低成本的特點(diǎn)，在海量農(nóng)作物無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的信息提取上具有較廣的應(yīng)用。

2.2 施藥技術(shù)

農(nóng)業(yè)航空施藥作業(yè)是農(nóng)業(yè)航空服務(wù)最主要的作業(yè)項(xiàng)目，由于其噴施作業(yè)具有作業(yè)效率高、作業(yè)速度快、突擊能力強(qiáng)、應(yīng)對(duì)突發(fā)性爆發(fā)性病蟲(chóng)害的防控效果好等特點(diǎn)，可解決水稻生長(zhǎng)過(guò)程中地面機(jī)械難以下田作業(yè)的問(wèn)題。此外，航空施藥作業(yè)還有勞動(dòng)用工少、綜合作業(yè)成本低、不會(huì)留下轍印和損壞作物、不破壞土壤物理結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，深受農(nóng)場(chǎng)主和種植大戶(hù)的歡迎和喜愛(ài)[14]，航空施藥技術(shù)因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用和推廣。其中，航空施藥技術(shù)主要可分為有人駕駛飛機(jī)航空施藥技術(shù)及無(wú)人駕駛飛機(jī)航空施藥技術(shù)。

在有人駕駛飛機(jī)施藥方面，蘭玉彬等[15]通過(guò)Air Tractor 402B農(nóng)用飛機(jī)對(duì)添加了4種不同農(nóng)藥助劑的藥液進(jìn)行噴施試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)霧滴沉積量、霧滴粒徑、霧滴密度等參數(shù)與農(nóng)藥助劑和飄移距離成高度相關(guān)性。張瑞瑞等[16]設(shè)計(jì)了一種用于有人直升機(jī)的變量施藥控制系統(tǒng)并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)直升機(jī)飛行速度小于160km/h時(shí)，實(shí)際施藥量與設(shè)定施藥量之間的誤差保持在10%以?xún)?nèi)，有效解決了有人直升機(jī)無(wú)差別施藥造成的農(nóng)藥浪費(fèi)，提高了農(nóng)藥的有效利用率。王國(guó)賓等[17]研究測(cè)定了羅賓遜R-44直升飛機(jī)與貝爾206直升飛機(jī)飛行高度和噴頭配置對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴在水稻田沉積分布以及對(duì)稻瘟病防治效果的影響。張東彥等[18]對(duì)M-18B型、Thrush 510G 型飛機(jī)在不同環(huán)境參數(shù)（風(fēng)速、溫度、濕度）、噴嘴角度條件下的有效噴幅寬度進(jìn)行了評(píng)定，對(duì)不同飛機(jī)噴施作業(yè)的霧滴沉積分布特性進(jìn)行了分析和比較，并首次形成了施藥效果測(cè)試報(bào)告。上述已開(kāi)展的探索研究大大促進(jìn)了有人駕駛飛機(jī)航空施藥技術(shù)的快速提升和廣泛推廣。endprint

在無(wú)人駕駛飛機(jī)施藥方面，邱白晶等[19]通過(guò)采用二因素三水平試驗(yàn)方法研究了CD-10型無(wú)人直升機(jī)噴霧沉積濃度、沉積均勻性與飛機(jī)飛行高度、飛行速度及兩因素間的交互作用的關(guān)系，并建立了相應(yīng)的關(guān)系模型；秦維彩等[20]通過(guò)改變N-3型無(wú)人直升機(jī)的作業(yè)高度和噴灑幅度對(duì)玉米進(jìn)行噴施試驗(yàn)，研究了噴灑參數(shù)對(duì)玉米冠層的霧滴沉積分布的影響，獲得了不同作業(yè)高度和噴幅下無(wú)人機(jī)噴霧在玉米冠層中的霧滴沉積量和沉積密度。陳盛德等[14]研究了HY-B-10L型單旋翼電動(dòng)無(wú)人直升機(jī)在不同作業(yè)參數(shù)下對(duì)雜交水稻植株冠層噴施作業(yè)的霧滴沉積分布效果，并根據(jù)霧滴沉積結(jié)果和外界環(huán)境參數(shù)對(duì)霧滴沉積分布規(guī)律的影響進(jìn)行了分析。同時(shí)，在無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化方面，多種類(lèi)型的無(wú)人機(jī)根據(jù)不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴沉積結(jié)果對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和篩選[14，20-23]，如表1所示。上述已開(kāi)展的探索與研究結(jié)果為有效應(yīng)用小型無(wú)人機(jī)開(kāi)展航空施藥作業(yè)提供了極大的參考價(jià)值。

另外，為加快推進(jìn)無(wú)人機(jī)航空施藥應(yīng)用技術(shù)的研究與推廣，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空?qǐng)F(tuán)隊(duì)先后在云南、湖南、新疆、河南等多地開(kāi)展橙樹(shù)、水稻、棉花、小麥等多種作物的無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)應(yīng)用研究。2016年，河南全豐航空科技有限公司和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)組織40多家農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)企業(yè)成立了國(guó)家航空植?？萍紕?chuàng)新聯(lián)盟，這是正式開(kāi)啟中國(guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的里程碑。聯(lián)盟于2016年5月、2016年7月和9月先后組織多家單位分別在河南和新疆等地開(kāi)展小麥蚜蟲(chóng)防治和噴施棉花脫葉劑的測(cè)試作業(yè)，加快了無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)的應(yīng)用和推廣。2016年8月，陜西省30萬(wàn)畝玉米粘蟲(chóng)病害大爆發(fā)，聯(lián)盟組織多家聯(lián)盟成員、調(diào)動(dòng)100余架無(wú)人機(jī)開(kāi)展緊急防治救災(zāi)工作。此次救災(zāi)是國(guó)內(nèi)農(nóng)用無(wú)人機(jī)航空施藥作業(yè)的首次協(xié)同作戰(zhàn)，標(biāo)志著應(yīng)用農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行大規(guī)模病蟲(chóng)害防治進(jìn)入新的篇章。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及對(duì)糧食安全和生態(tài)安全要求的提高，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)被越來(lái)越多的人所熟知。同時(shí)，由于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空的作業(yè)特點(diǎn)，圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)、變量噴施技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、高精度RTK定位技術(shù)、多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)及無(wú)人機(jī)噴施配套技術(shù)必將成為未來(lái)的研究方向和研究重點(diǎn)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供有力的保障。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分，隨著相關(guān)制度及配套核心技術(shù)的不斷完善，中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)必將得到健康、有序和高速發(fā)展，有利于指導(dǎo)人們更加合理地使用化肥農(nóng)藥和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害統(tǒng)防統(tǒng)治，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，從而滿(mǎn)足人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求，極大地提速中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)程。

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