基于無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)的施肥控制技術(shù)探究

曹 亮

（成都市農(nóng)林科學(xué)院，四川 成都 611134）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，縮減資源浪費(fèi)用來帶動(dòng)農(nóng)業(yè)從資源型向科技型、節(jié)約型轉(zhuǎn)變。世界糧農(nóng)組織近幾年的數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，在全世界范圍里面我國(guó)已成為使用氮肥最多的國(guó)家之一，氮肥的用量占世界總用量的30%。如何有效使用氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

1 國(guó)內(nèi)無人機(jī)遙感施肥研究現(xiàn)狀

我國(guó)之前傳統(tǒng)施肥方法以實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)或者田間的觀測(cè)為主，不利于應(yīng)用和推廣，浪費(fèi)大量的時(shí)間以及人力，成本相對(duì)較高。運(yùn)用高光譜成像技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)指導(dǎo)植保無人機(jī)對(duì)植被精準(zhǔn)施肥。目前農(nóng)業(yè)信息現(xiàn)代化的一個(gè)主要研究方向就是運(yùn)用高光譜成像技術(shù)快速取得植被的參數(shù)以及相關(guān)信息。植保無人機(jī)是以地面遙控器來進(jìn)行操控，運(yùn)用在農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)方向的無人駕駛飛行器。目前市場(chǎng)上植保無人機(jī)種類比較多，按照機(jī)型不同劃分，可以分為固定翼植保無人機(jī)、單旋翼植保無人機(jī)以及多旋翼植保無人機(jī)。按照動(dòng)力不同劃分，可以分為油動(dòng)植保無人機(jī)以及電動(dòng)植保無人機(jī)；植保無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是飛行速度快，采用的是噴霧噴灑方式，噴灑效率大大高于傳統(tǒng)肥料的噴灑。植保無人機(jī)噴灑肥料優(yōu)點(diǎn)是霧化效果好、噴灑均勻，節(jié)約了肥料以及水的使用量，有效減少了噴灑肥料對(duì)環(huán)境的污染。我國(guó)農(nóng)業(yè)“十三五規(guī)劃”提出未來農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需要更上一層樓，而且要求農(nóng)業(yè)機(jī)械整體的使用率達(dá)到60%，因此植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中有很大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，傳統(tǒng)的噴霧設(shè)備顯然不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，因此必須大力推動(dòng)無人機(jī)應(yīng)用以及發(fā)展，以此來解決我國(guó)噴施技術(shù)所面臨的各種問題。研究無人機(jī)噴灑技術(shù)、飛控參數(shù)以及藥劑配方，將會(huì)為農(nóng)業(yè)施使用技術(shù)帶來一場(chǎng)偉大的技術(shù)革命。

2 利用無人機(jī)遙感施肥的前景和技術(shù)要點(diǎn)

為了給植被補(bǔ)充所需要的營(yíng)養(yǎng)元素，人們會(huì)使用各種肥料，然而從國(guó)內(nèi)當(dāng)前農(nóng)業(yè)植保裝備的條件來看，無法向農(nóng)作物補(bǔ)充它們所缺失的所有營(yíng)養(yǎng)元素。因此通常情況下將農(nóng)作物的冠層當(dāng)作的標(biāo)靶。沉積回收率指的是農(nóng)業(yè)地塊落在農(nóng)作物表面的施肥量除以本次噴施肥的總量，也就是有效利用肥料的比例。如果這個(gè)參數(shù)大，意味著肥料達(dá)到了較高的使用水平，反之亦然。借助水分子的分散作用，肥料作用于農(nóng)作物的表面，一般指有效地沉降到農(nóng)作物的表面，切實(shí)降低沒有效果的霧滴噴施，使霧滴有效地黏貼于葉片表面，盡量黏貼于葉片的表面之上。檢驗(yàn)肥液有沒有切實(shí)發(fā)揮作用，要查看肥液的粘附性、潤(rùn)濕性以及葉片表面自身的持留能力等多個(gè)重要指標(biāo)。肥料從噴頭噴出霧化到飛向農(nóng)作物是動(dòng)態(tài)化的一個(gè)過程，相關(guān)專家提出了一個(gè)概念——?jiǎng)討B(tài)表面張力，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。它意味著噴頭和液體分離的剎那間，霧滴本身的噴施動(dòng)態(tài)張力 (the droplet spraying dynamic tension)比較高，它對(duì)肥液展布以及滯留于植物的表面之上有重大影響。借助接觸角測(cè)定、掃描鏡等手段能夠觀察到這種現(xiàn)象。農(nóng)作物表面本身的非光滑形態(tài)和水潤(rùn)能力高低的關(guān)聯(lián)性，那些并非十分光滑的凸包形且并非特別光滑的個(gè)體植株的表面，逐步增強(qiáng)了排斥水的相關(guān)變化。噴灑出的肥料和農(nóng)作物表面或者葉面會(huì)形成較大撞擊，形成多次或者一次液滴躍。利用高速顯微攝影機(jī)能夠觀察到，由噴頭噴出后，小霧滴以特別低的速度以及加速度前進(jìn)，和葉片進(jìn)行碰擊的過程中會(huì)出現(xiàn)多次跳躍。而且，動(dòng)態(tài)表面張力也會(huì)對(duì)肥液在農(nóng)作物葉面上的展布和沉積產(chǎn)生一定影響。在肥料中添加助劑，即可在一定程度上降低肥料小霧滴發(fā)生跳躍的頻次，肥料使用率得以提升。最年來，大部分高光譜相機(jī)利用輕小型無人機(jī)作為自己的搭載平臺(tái)，和其他形式的遙感平臺(tái)比較，輕小型無人機(jī)航行自由、成本低廉、適應(yīng)性好等，優(yōu)勢(shì)顯著。人們?cè)絹碓街匾曒p小型無人機(jī)這種高光譜遙感平臺(tái)。從空中拍攝農(nóng)田植被，對(duì)農(nóng)田植被的相關(guān)指數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，獲取它們的高光譜圖像，利用相關(guān)軟件對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為植保無人機(jī)精準(zhǔn)施肥輔以必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 使用無人機(jī)施肥的優(yōu)勢(shì)

各國(guó)有著不同的國(guó)情，故此它們運(yùn)用植保無人機(jī)的范圍和程度也各不相同。整體而言，農(nóng)業(yè)航空技術(shù)是判斷一國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。未來，農(nóng)業(yè)航空技術(shù)、植保無人機(jī)會(huì)被越來越多地運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)用機(jī)械化的程度是提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。傳統(tǒng)的農(nóng)田肥料噴灑方式在很大程度上危害人體健康，每年因肥料中毒或死亡的人數(shù)有數(shù)萬人之多。因此要提升利用植保無人機(jī)施肥的比例，規(guī)避不準(zhǔn)確、不均衡、不合理施肥的問題，以免污染生態(tài)環(huán)境、浪費(fèi)資源，造成土壤環(huán)境的進(jìn)一步惡化等。

植保無人機(jī)被用來噴灑肥料，有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

（1）高效安全：它的飛行速度非常之快，每小時(shí)能夠噴灑8-10公頃；操作人員可以在一定距離內(nèi)對(duì)其進(jìn)行遙控操作，無需直接接觸各種噴灑肥料，降低了肥料傷害人體的概率。

（2）成本低、節(jié)省肥料：植保無人機(jī)采取了噴霧噴灑的手段，肥料使用量最少也能夠節(jié)約一半，盡可能地削減了資源使用成本。

（3）能夠獲得顯著的防治效果：植保無人機(jī)處于相對(duì)較低的作業(yè)高度、噴灑霧滴不會(huì)出現(xiàn)較大飄移、能夠在空中懸停，植保無人機(jī)在噴灑肥料的過程中旋翼形成的向下氣流，能夠強(qiáng)化霧滴穿透農(nóng)作物的能力，能夠獲得顯著的防治效果。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，采取植保無人機(jī)來噴灑肥料，可以創(chuàng)造一定的社會(huì)價(jià)值以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值；植保無人機(jī)具有較高的工作效率，無需投入較多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，農(nóng)民可以獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。但是工業(yè)級(jí)無人機(jī)的要求不同于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，植保無人機(jī)在進(jìn)行飛行作業(yè)時(shí)，要滿足較高要求，比如低速勻速低空飛行，而且要進(jìn)行直線高精度飛行，能夠垂直定點(diǎn)起降，操控手要具有過硬的飛行技術(shù)，它在很大程度上影響了無人機(jī)施肥的推廣和普及。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理的發(fā)展，基本上實(shí)現(xiàn)了收獲、播種、土地翻耕等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械化，但仍有部分環(huán)節(jié)依舊采取陳舊的作業(yè)方式，如防治病蟲害、給農(nóng)作物施肥等，同時(shí)也它帶來了諸多衍生問題，比如濫用肥料、嚴(yán)重污染土地、殘留量大等。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高的情況下，土地規(guī)?；⑼恋亓鬓D(zhuǎn)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)的主體出現(xiàn)了重大變化，家庭農(nóng)場(chǎng)、種田大戶等變成了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的中堅(jiān)，經(jīng)營(yíng)主體的改變?yōu)闊o人機(jī)植保推廣帶來了契機(jī)。同時(shí)植保無人機(jī)可有效預(yù)防病蟲災(zāi)害大面積突發(fā)，它具有高效率高、安全性強(qiáng)、作業(yè)質(zhì)量好、高適應(yīng)性等多個(gè)特點(diǎn)，能夠及時(shí)有效地破解病蟲害防治的重大難題。