無(wú)人設(shè)備在小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用和發(fā)展前景

葛君

[摘要]隨著無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色。盡管如此，受諸多因素的影響，無(wú)人機(jī)在小麥生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用并不完善。文章在綜合分析無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，論述了無(wú)人機(jī)在小麥種植方面的現(xiàn)狀和不足，并對(duì)無(wú)人機(jī)在小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

[關(guān)鍵詞]無(wú)人設(shè)備;小麥生產(chǎn);發(fā)展前景

中圖分類號(hào)：S512.1;S252

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20190427

近年來(lái)，自然災(zāi)害頻發(fā)，人力資源的使用成本也不斷上升，再加上人力檢測(cè)和管理的不夠精準(zhǔn)，綜合這些因素，在小麥生產(chǎn)中引入無(wú)人設(shè)備對(duì)小麥進(jìn)行檢測(cè)和田間管理，對(duì)提高我國(guó)小麥生產(chǎn)的綜合效益，保障我國(guó)糧食安全都具有重要意義。

無(wú)人設(shè)備，以無(wú)人機(jī)為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)搭載不同的功能模塊和傳感器，來(lái)完成小麥生產(chǎn)中不同時(shí)期的監(jiān)測(cè)和管理。無(wú)人機(jī)對(duì)天氣變化的敏感度低，綜合作業(yè)性能較優(yōu)，具有飛行高度較低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)。小麥相對(duì)于二收作物來(lái)講，株高較低、植株密度較大，將無(wú)人設(shè)備引入小麥生產(chǎn)中具有良好的發(fā)展前景。

1無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)

1.1便捷高效

在相同的時(shí)間內(nèi)，無(wú)人機(jī)播種速度是人工的20倍，是普通播種機(jī)械的3倍;施肥效率是人工的10～15倍，是普通施肥機(jī)械的5～10倍;噴藥效率是人工的20倍。在實(shí)際的操作中，除去自然因素和飛機(jī)自身的原因，農(nóng)用無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率大大優(yōu)于人工。

1.2適用性好

在小麥生產(chǎn)中，無(wú)人機(jī)參與田間作業(yè)和管理，不受地形等限制，不論是山地、丘陵，還是坡地，都可以完成預(yù)定的作業(yè)任務(wù)。

1.3對(duì)小麥的損傷小

無(wú)人機(jī)工作是在空中，不論是施肥，還是噴灑農(nóng)藥，其對(duì)作物葉面的影響都較小。相較于傳統(tǒng)的人工噴灑農(nóng)藥，由于小麥的隴間距較小，人工行走不方便，難免會(huì)對(duì)小麥的莖葉造成損傷，而無(wú)人機(jī)完全不接觸地面，對(duì)小麥帶來(lái)的唯一不利因素就是風(fēng)量大。機(jī)械在田間作業(yè)對(duì)小麥的損傷程度更大，相較之下，無(wú)人機(jī)應(yīng)用在小麥的生產(chǎn)作業(yè)中可以大大減少人為因素對(duì)小麥造成的不必要損害。

1.4對(duì)操作人員的無(wú)害性

無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥時(shí)，操作人員只需遠(yuǎn)遠(yuǎn)地站在一邊進(jìn)行遙控，不需要時(shí)刻跟隨無(wú)人機(jī)作業(yè)。雖然現(xiàn)在國(guó)家提倡使用低毒高效的農(nóng)藥，但是在使用傳統(tǒng)的噴藥方式時(shí)，由于護(hù)具不全等因素，難免會(huì)對(duì)相關(guān)操作人員造成損害，而這一點(diǎn)無(wú)人機(jī)則可以避免。

1.5政策優(yōu)勢(shì)

小麥生長(zhǎng)期間需要進(jìn)行多次的施肥和打藥，而現(xiàn)在對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，雖然國(guó)家還沒(méi)有出臺(tái)相關(guān)的使用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，但從近年來(lái)國(guó)家對(duì)環(huán)境破壞問(wèn)題的查處力度可以看出，在不久的將來(lái)，化肥和農(nóng)藥的使用將會(huì)被限制。在國(guó)家大力扶植環(huán)保產(chǎn)業(yè)、倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將不斷研發(fā)、推廣先進(jìn)的生產(chǎn)管理技術(shù)。農(nóng)用無(wú)人機(jī)已經(jīng)得到農(nóng)業(yè)部的批準(zhǔn)，并且國(guó)家也大力支持發(fā)展農(nóng)業(yè)無(wú)人化、精細(xì)化管理。

2無(wú)人機(jī)在小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，使其在小麥生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，我國(guó)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)在小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用主要集中在以下四個(gè)方面。

2.1施肥和噴藥

小麥生長(zhǎng)期間最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)是施肥和噴藥。施肥是為了保證氮磷鉀的供應(yīng)，讓小麥能吸收足夠的養(yǎng)分;噴藥是防蟲治病，病蟲害對(duì)于農(nóng)作物是毀滅性的破壞。而這兩個(gè)環(huán)節(jié)的操作對(duì)小麥葉面的損傷也是最大的，在小麥的一生中只有六七片葉子，葉子的數(shù)量影響到了小麥的光合作用，進(jìn)而影響到產(chǎn)量。在小麥的播種期可以搭載一般的撒肥器對(duì)土地進(jìn)行撒播施肥，在追肥期可以搭載遙感傳感器和地面的機(jī)械連接進(jìn)行空中遙控。無(wú)人機(jī)施肥可以精準(zhǔn)控制施肥量，結(jié)合其他檢測(cè)數(shù)據(jù)，合理進(jìn)行施肥。無(wú)人機(jī)對(duì)小麥進(jìn)行噴藥作業(yè)，可以搭載無(wú)人機(jī)專用噴藥器，低空快速飛行，充分利用農(nóng)藥，減少兌水量。

2.2葉面積指數(shù)的測(cè)定

葉面積指數(shù)是植被冠層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，表示單位面積上的單面葉片的總和，快速準(zhǔn)確地獲得葉面積指數(shù)，能夠準(zhǔn)確判斷小麥的生長(zhǎng)趨勢(shì)和健康狀況。在葉面積指數(shù)的無(wú)人監(jiān)控中，主要利用無(wú)人機(jī)搭載高光譜遙感影像設(shè)備對(duì)小麥的生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到一定周期內(nèi)的葉面積指數(shù)變化情況，將這一段時(shí)間內(nèi)的葉面積指數(shù)變化的情況進(jìn)行匯總和制圖，根據(jù)得到的結(jié)果來(lái)觀察小麥的生長(zhǎng)情況。例如，小麥的葉面積指數(shù)低，說(shuō)明小麥的黃葉多，這可能與小麥在冬季受凍害的影響較大有關(guān);小麥的葉面積指數(shù)高，說(shuō)明小麥綠葉多，證明小麥的長(zhǎng)勢(shì)良好或者返青的狀況良好。

2.3凍害警示和分析

我國(guó)北方冬季氣溫偏低，春季氣溫偏高，近2年受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，在冬春交替的時(shí)候，由于溫度的劇烈變化，小麥在生長(zhǎng)選擇時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤指令，進(jìn)而受倒春寒現(xiàn)象的影響程度加重。2018年小麥返青時(shí)期，出現(xiàn)了嚴(yán)重的倒春寒現(xiàn)象，致使大片的小麥在育穗的關(guān)鍵時(shí)期受到了凍害的影響，導(dǎo)致大面積的小麥不抽穗，嚴(yán)重影響我國(guó)的夏糧產(chǎn)量。鑒于這種現(xiàn)象，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行田間巡邏，并繪制夜間和白天的溫度曲線，準(zhǔn)確反映出晝夜的溫差。并且，在夜間巡邏期間監(jiān)測(cè)田間的最低氣溫，若氣溫出現(xiàn)異常則快速向后臺(tái)反饋，由后臺(tái)進(jìn)行分析，制定出有效的防范措施，將損失降至最低。

2.4病蟲害的防治

受多種因素的影響，當(dāng)病蟲害出現(xiàn)在小麥中時(shí)，農(nóng)民可能無(wú)法立即發(fā)覺(jué)，或者發(fā)覺(jué)后因不了解具體受災(zāi)面積，無(wú)法采取及時(shí)、有效的防治揩施。利用無(wú)人機(jī)可以搭載功能模塊的功能，在無(wú)人機(jī)上安裝紅外溫度測(cè)定儀和顏色識(shí)別儀，對(duì)小麥進(jìn)行監(jiān)控，紅外攝像功能可以發(fā)現(xiàn)蟲害，并計(jì)算出受災(zāi)面積。小麥在抽穗期容易受到蚜蟲的侵害，對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)置紅外光譜的分析溫度報(bào)警系統(tǒng)，首先輸人在有蟲害時(shí)采集的溫控?cái)?shù)據(jù)，然后根據(jù)紅外光譜實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與之對(duì)照，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)蟲害，快速反饋到控制室，及時(shí)進(jìn)行防治工作。小麥的赤霉病和銹病也是影響其產(chǎn)量的一大因素，在病害監(jiān)控方面，需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)，及時(shí)通知后臺(tái)采取防治措施1

2.5計(jì)算小麥倒伏面積

小麥倒伏現(xiàn)象一直都是令農(nóng)民頭疼的問(wèn)題，由于風(fēng)力的作用，在大田間，遮擋物少，風(fēng)可以肆無(wú)忌憚的略過(guò)?？諝鉁囟鹊牟钪?，使風(fēng)向發(fā)生沿軸線的偏轉(zhuǎn)，形成旋風(fēng)，導(dǎo)致小麥倒伏。無(wú)人機(jī)可以用于小麥倒伏面積的計(jì)算，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)地塊的巡邏，繪制出地塊的平面圖，根據(jù)反光量的不同識(shí)別出小麥倒伏的地點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行邊界區(qū)分，計(jì)算面積。

3無(wú)人設(shè)備的不足

3.1初期設(shè)備投資大

由于市場(chǎng)的稀缺性、制造難度高和科技含量高等因素，無(wú)人機(jī)的價(jià)格一直居高不下。農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)，根據(jù)功能的不同售價(jià)也不同，一般售價(jià)為5萬(wàn)～40萬(wàn)元，并且每臺(tái)無(wú)人機(jī)至少需要有一名操作員，無(wú)人機(jī)工作時(shí)還需要相關(guān)的保障和現(xiàn)場(chǎng)操作人員。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況，其一般為大批量的土地?fù)碛姓咛峁┓?wù)，實(shí)際的抽成為7.5～15元/hm'，散戶的費(fèi)用是225元/hm'，工作效率為4hm？/h，可工作周期為180d，工作時(shí)間為12h/d，計(jì)算得到無(wú)人機(jī)操作員的勞務(wù)費(fèi)為6.5萬(wàn)～13萬(wàn)元，團(tuán)隊(duì)一般由3人組成，另外2人勞務(wù)費(fèi)用為操作員的1/2。綜合計(jì)算1臺(tái)無(wú)人機(jī)1年的勞務(wù)費(fèi)用為13萬(wàn)～26萬(wàn)元。由于目前我國(guó)的農(nóng)村土地生產(chǎn)責(zé)任制的繼續(xù)實(shí)施，土地分散化，使工作成本更高。

3.2續(xù)航能力和通訊受限

目前高效的電池尚未開發(fā)出來(lái)，無(wú)人機(jī)大多使用鋰電池，鋰電池雖然電量密度大，但是無(wú)人機(jī)是連續(xù)化作業(yè)，一般無(wú)人機(jī)電池為16A.h，巡航速度為4～5m/s，續(xù)航時(shí)間為20～30min。這在實(shí)際的生產(chǎn)中往往需要配備多組電池，1塊16A.h鋰電池價(jià)格為1450～1600元，單體充滿時(shí)間為40～60min，1天工作10h，1臺(tái)無(wú)人機(jī)最少要配備4組，電池，也就是說(shuō)電池的費(fèi)用在6000元左右。這無(wú)疑又增加^了許多成本13-14，

通訊距離的不足，限制了無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程操作的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)通訊模塊的不同，最遠(yuǎn)后臺(tái)能聯(lián)系到無(wú)人機(jī)的距離為7km。通訊距離的限制，也制約了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用。

4發(fā)展前景

目前，無(wú)人機(jī)主要面臨著造價(jià)高和續(xù)航能力差的問(wèn)題，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些問(wèn)題會(huì)得到解決。隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)會(huì)有著怎樣的發(fā)展，以及如何將無(wú)人機(jī)更好地應(yīng)用在小麥生產(chǎn)中是研究人員需要考慮的重要問(wèn)題。

4.1無(wú)人設(shè)備的智能化發(fā)展

目前全球都在研發(fā)新的AI智能系統(tǒng)，其應(yīng)用在無(wú)人機(jī)方面，可讓無(wú)人機(jī)操作更簡(jiǎn)單，工作人員只需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就可以順利操作無(wú)人機(jī)。AI智能無(wú)人機(jī)可以模仿更多的人類操作技能，只需要將編寫好的程序，寫人到無(wú)人機(jī)攜帶的工作模塊中，就可以對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行任意的操作。AI智能可以優(yōu)化無(wú)人機(jī)在圖像處理方面的不足，增加無(wú)人機(jī)圖像的分辨率，在小麥生產(chǎn)監(jiān)測(cè)中能發(fā)揮更大的作用。

4.2精細(xì)化農(nóng)業(yè)的發(fā)展

精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理就是降低勞動(dòng)生產(chǎn)成本，增加收益，保護(hù)環(huán)境，保護(hù)土地的可再生能力和土地的肥力。利用無(wú)人機(jī)搭載的紅外成像儀可以準(zhǔn)確地識(shí)別小麥中生病的植株，然后由無(wú)人機(jī)迅速地反饋給控制中心，控制中心得到更加細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)信息后，及時(shí)做出處理判斷。對(duì)小麥營(yíng)養(yǎng)元素缺失的判斷，不僅需要判斷常量元素，還需要對(duì)微量元素的判斷進(jìn)行監(jiān)控，以保證小麥的產(chǎn)量。

4.3無(wú)人機(jī)和農(nóng)機(jī)的結(jié)合

未來(lái)的無(wú)人機(jī)將和大型的地面機(jī)械化設(shè)備結(jié)合，形成空、地配合，進(jìn)行立體的田間管理操作。將地面的機(jī)械和無(wú)人機(jī)形成田間作業(yè)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)在空中對(duì)機(jī)械前方的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回到機(jī)械的操作品臺(tái)上的電腦中，地面機(jī)械執(zhí)行操作指令完成對(duì)小麥的田間作業(yè)。

4.4建立飛行數(shù)據(jù)庫(kù)

目前，由于各無(wú)人機(jī)相互獨(dú)立，因此，資源的利用率較低?；跓o(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)、靈活的特點(diǎn)，再加上現(xiàn)在小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，應(yīng)將每次作業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保留，然后上傳到飛機(jī)飛行作業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。并且將無(wú)人機(jī)和其他遙感手段進(jìn)行結(jié)合，綜合田間傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，對(duì)小麥的生長(zhǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和定量的監(jiān)測(cè)，其對(duì)小麥的后期管理有著重要的影響。

5結(jié)論

盡管在現(xiàn)在的小麥生產(chǎn)中已經(jīng)運(yùn)用了無(wú)人機(jī)技術(shù)，但由于無(wú)人機(jī)的投人成本太大，加之我國(guó)農(nóng)村地塊面積小等原因，無(wú)人機(jī)在小麥生產(chǎn)中還沒(méi)有得到大范圍的應(yīng)用，僅在一些大的土地承包者的小麥生產(chǎn)中有著較多的應(yīng)用。在未來(lái)，我國(guó)的耕地種植情況由于無(wú)人機(jī)的應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)田地的大塊化，那時(shí)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用會(huì)達(dá)到一個(gè)新高度。伴隨我國(guó)環(huán)保的提倡和綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在小麥病蟲害和生長(zhǎng)中的監(jiān)測(cè)會(huì)更加規(guī)范、完整。無(wú)人機(jī)的技術(shù)也將日臻成熟，各種功能的無(wú)人機(jī)將會(huì)被研制和應(yīng)用，相信在不久的將來(lái)科技農(nóng)業(yè)會(huì)得到長(zhǎng)足發(fā)展。

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