采用無(wú)人機(jī)技術(shù)防治小麥病蟲(chóng)害的分析

陳鴻雷

摘要：一直以來(lái)，化學(xué)防治方法在小麥病蟲(chóng)害防治中都占據(jù)著重要地位，而化學(xué)農(nóng)藥的高污染、高殘留、高度等問(wèn)題也對(duì)農(nóng)田生態(tài)平衡造成破壞，對(duì)自然環(huán)境造成危害。在小麥病蟲(chóng)害防治過(guò)程中，由于受到人力、物力以及財(cái)力等方面的因素限制，很難使施藥手段在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到防治要求。因此，無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將其用于小麥病蟲(chóng)害的防治，提高了噴藥效率、減少了勞動(dòng)力，保障了小麥生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)技術(shù);小麥;病蟲(chóng)害;防治

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物，產(chǎn)業(yè)發(fā)展與我國(guó)糧食安全、社會(huì)穩(wěn)定有直接關(guān)聯(lián)。因此，小麥的高質(zhì)量、高產(chǎn)量生產(chǎn)一直以來(lái)都是糧食產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。小麥病蟲(chóng)害是影響到小麥產(chǎn)量、品質(zhì)以及生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素，近年來(lái)，小麥病蟲(chóng)害的發(fā)生日益嚴(yán)重，尤其是穗期更見(jiàn)嚴(yán)重危害，產(chǎn)量也大幅跌落。文章就對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)如今的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，進(jìn)一步提出無(wú)人機(jī)技術(shù)在小麥病蟲(chóng)害中的具體應(yīng)用，以期獲得更好的病蟲(chóng)害防治效果。

1 無(wú)人機(jī)防治小麥病蟲(chóng)害的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

1.1.1 減少藥物使用、節(jié)約水資源

無(wú)人機(jī)在執(zhí)行作業(yè)時(shí)，采取的是噴灑方法，尤其是低空噴灑技術(shù)，可以節(jié)約50%的農(nóng)藥量與90%的用水量，可以大幅減小資源成本的投入。

并且無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，飛行速度快、施藥時(shí)間縮短，有利于減小對(duì)大氣、對(duì)土壤和對(duì)農(nóng)作物造成的進(jìn)一步危害，尤其是基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的無(wú)人機(jī)作業(yè)，能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)且均勻地施藥，與當(dāng)前的環(huán)保主題相符[1]。

1.1.2 作業(yè)執(zhí)行高效且安全

農(nóng)業(yè)作業(yè)中無(wú)人機(jī)技術(shù)的采取其工作效率要遠(yuǎn)高于擔(dān)架式植保機(jī)的10倍，高于自走式植保機(jī)的2倍。同時(shí)，無(wú)人機(jī)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了人與藥的分離，基于地面遠(yuǎn)程操控，噴灑作業(yè)人員遠(yuǎn)距離操作即可，有效避免了受農(nóng)藥的侵害。

1.1.3 防治方式科學(xué)、合理

無(wú)人機(jī)采用超低量噴霧噴灑方式，飛機(jī)旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加藥劑對(duì)農(nóng)作物的穿透性，使用飛防助劑更可以減少藥劑揮發(fā)、增加藥劑附著等作用，顯著提升防治效果。對(duì)于人工難以進(jìn)入的植保場(chǎng)景，如果樹(shù)等高稈作物，飛防作業(yè)更能發(fā)揮高空作業(yè)的優(yōu)勢(shì)。

1.1.4 可以在夜間作業(yè)

在夏季高溫時(shí)節(jié)，中午溫度高，藥劑易蒸發(fā)，人員易中暑，植保作業(yè)的最佳時(shí)間主要靠早晨或傍晚。而無(wú)人機(jī)則可以依托規(guī)劃好的作業(yè)路線，在夜間也可以自動(dòng)飛行作業(yè)，大大降低藥劑蒸發(fā)和人員中暑等發(fā)生，實(shí)現(xiàn)全天候飛防[2]。

1.2 無(wú)人機(jī)防治小麥病蟲(chóng)害的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 變量施藥

變量施藥一直以來(lái)都是無(wú)人機(jī)發(fā)展的主要技術(shù)之一，不同于傳統(tǒng)施藥技術(shù)，變量施藥可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)病蟲(chóng)害發(fā)生程度、作物疏密程度等的按需、適量給藥，一方面有利于解決農(nóng)藥使用過(guò)量的問(wèn)題，另一方面還有利于減小成本投入，總而提高應(yīng)用效率。

在當(dāng)前無(wú)人機(jī)技術(shù)中采用的變量施藥系統(tǒng)大都是基于脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，基于對(duì)占空比的改變對(duì)隔膜泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以此來(lái)調(diào)節(jié)藥物噴施量。另外也有基于Lab VIEW的地面站控制軟件在其中的應(yīng)用，充分使用多傳感器融合技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施藥參數(shù)，實(shí)現(xiàn)藥物施用流量和飛行速度的自動(dòng)匹配[3]。

1.2.2 避障技術(shù)

采用無(wú)人機(jī)技術(shù)施藥時(shí)，因?yàn)榇蟛糠洲r(nóng)田的四周環(huán)境都比較復(fù)雜，或有建筑物，或有電網(wǎng)、通信等設(shè)施，這些都會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的安全作業(yè)造成隱患威脅，所以，關(guān)于無(wú)人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用也充分考量到了自主避障技術(shù)。由于各類障礙物在形狀上存在很大的差異性，所處地域的分布也有很大的隨機(jī)性，所以歸根結(jié)底，無(wú)人機(jī)的避障技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)障礙物的自主識(shí)別。

目前在現(xiàn)有的技術(shù)研究中，通過(guò)對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)不同避障技術(shù)的適用性和主要避障傳感器的對(duì)比、分析，總結(jié)了如下幾個(gè)研究重點(diǎn)：多種避障技術(shù)的組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)避障技術(shù)的實(shí)時(shí)性和主動(dòng)性，創(chuàng)建輔助避障的系統(tǒng)，規(guī)范制定避障流程標(biāo)準(zhǔn)等。

在現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中，廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)是基于激光位移傳感器的避障技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)包括：飛前的自檢、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、有效數(shù)據(jù)塊的提取、障礙物基本參數(shù)的計(jì)算和障礙物模式識(shí)別等。通過(guò)室外飛行測(cè)試正式該技術(shù)能夠檢測(cè)到未知環(huán)境下的障礙物角度與距離，較準(zhǔn)確地判斷植保作業(yè)環(huán)境中存在的典型障礙物，能夠在飛行過(guò)程當(dāng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)避障，基本可以確定該技術(shù)應(yīng)用的有效性與可行性[4]。

1.2.3 減漂技術(shù)

植保無(wú)人機(jī)噴霧施藥屬于一種低容量噴霧技術(shù)，和常規(guī)的地面噴霧技術(shù)相比，霧滴要更細(xì)，加之植保無(wú)人機(jī)開(kāi)展噴霧作業(yè)時(shí)其噴頭距離作物的冠層較遠(yuǎn)，不免有較大的霧滴漂移風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)霧滴漂移的影響因素進(jìn)行分析，采取的噴施技術(shù)、冠層的類型與高度、藥液的理化性質(zhì)等等都是重要因子。針對(duì)于此，在目前的無(wú)人機(jī)技術(shù)中也采取了很多減漂手段，例如減漂噴頭、飛防助劑的使用、噴灑技術(shù)的優(yōu)化、設(shè)置漂移緩沖區(qū)等等。

減漂噴頭可以通過(guò)對(duì)霧滴粒徑的大小控制來(lái)減少漂移，不僅如此，對(duì)噴頭類型、尺寸、壓力等方面的改善都可以減小漂移。例如低漂移噴頭便可以將霧滴的漂移量減少約90%，而飛防助劑和高漂移噴頭的組合使用則可以將漂移量降低50%左右。基于射流技術(shù)的減漂噴頭目前在無(wú)人機(jī)中也有廣泛應(yīng)用，該技術(shù)是在噴頭的內(nèi)部把空氣與藥液混合形成二相流、予以霧化成液滴進(jìn)行噴灑使用。另外還要一種技術(shù)是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，在這一農(nóng)田無(wú)人機(jī)施藥架構(gòu)中，傳感器把農(nóng)藥的沉積信息傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)便可以此作為參考、實(shí)時(shí)修正飛機(jī)的航線，確保噴灑的霧滴可以在最大限度上落到靶標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)，該技術(shù)應(yīng)用效果雖突出，但有成本較高的缺點(diǎn)[5]。另外在實(shí)踐操作中，也有很多新的技術(shù)嘗試，例如：對(duì)農(nóng)藥添加劑配方進(jìn)行調(diào)整來(lái)改變農(nóng)藥理化特征，減少漂移風(fēng)險(xiǎn);或在施藥區(qū)域的四周設(shè)置漂移緩沖區(qū)，保護(hù)農(nóng)田附近的水渠不會(huì)受到污染。

在現(xiàn)有的技術(shù)研究中，有關(guān)于霧滴沉降與漂移機(jī)理的探索，嘗試通過(guò)創(chuàng)建漂移模型來(lái)解決施藥時(shí)的漂移問(wèn)題，其中取得最大成效的當(dāng)屬Teske等創(chuàng)建的AGDISP模型，使用者能夠?qū)婎^、藥液、飛機(jī)類型和天氣因素等信息輸入其中，調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)可能會(huì)產(chǎn)生的漂移進(jìn)行預(yù)測(cè)。另外也有創(chuàng)建的霧滴漂移能量模型，該模型主旨是結(jié)合霧滴的運(yùn)動(dòng)速度與霧滴的粒徑來(lái)對(duì)霧滴漂移潛力加以預(yù)測(cè)，并且認(rèn)為當(dāng)相鄰的兩個(gè)噴頭噴霧扇面發(fā)生一定重疊時(shí)，可以加大霧滴的粒徑，使霧滴能動(dòng)增加、漂移減小。

1.2.4 霧滴檢測(cè)技術(shù)

結(jié)合霧滴的沉積特性能夠?qū)o(wú)人機(jī)噴灑質(zhì)量進(jìn)行直接評(píng)判，霧滴密度判定方法和50%有效沉積量判定方法便是當(dāng)前被普遍使用的兩種評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)比兩種方法在無(wú)人機(jī)技術(shù)中應(yīng)用的有效噴幅情況發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)根據(jù)植保無(wú)人機(jī)的噴施霧滴粒徑范圍來(lái)相應(yīng)選擇適宜手段。其中霧滴密度評(píng)判方法在霧滴發(fā)生重疊時(shí)可能會(huì)有誤差產(chǎn)生，結(jié)合霧滴沉積分布特征與工作效率的需求，建議傾向于選擇50%有效沉積判定法來(lái)明確有效噴幅。由于完成這些工作的量大、效率又低，所以應(yīng)力求突破準(zhǔn)確獲得霧滴分布信息這一關(guān)鍵。

紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用可以得到噴灑前后的環(huán)境熱差，據(jù)此對(duì)霧滴分布的范圍與濃度進(jìn)行檢測(cè)，相較于水敏紙法，該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量，突出有快速、無(wú)接觸的特點(diǎn)。基于激光雷達(dá)反射的原理來(lái)對(duì)霧滴分布進(jìn)行測(cè)量可謂是一種新型手段，與傳統(tǒng)的人工測(cè)量相比較，這種新方法得到的測(cè)量結(jié)果誤差值更小，突出有精度高、掃描周期短的特點(diǎn)[6]。

2 無(wú)人機(jī)防治小麥病蟲(chóng)害的應(yīng)用實(shí)踐

無(wú)人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的興起與應(yīng)用正迎合了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理念，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在施藥上主張按需用藥，在實(shí)際噴灑作業(yè)之前、結(jié)合實(shí)際區(qū)域獲得病蟲(chóng)害處方圖亦是關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)結(jié)合各種技術(shù)的應(yīng)用能夠快速采集到作物的光譜數(shù)據(jù)，無(wú)論是對(duì)于病蟲(chóng)害信息的采集還是防治都發(fā)揮著重要作用。

2.1 小麥全蝕病無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)

技術(shù)關(guān)鍵在于：利用無(wú)人機(jī)遙感航拍技術(shù)來(lái)獲取小麥圖像，基于原始圖像的建立，根據(jù)顏色特征參數(shù)的差異性判斷出小麥?zhǔn)艿饺g病危害的病情等級(jí)。

其中涉及到關(guān)鍵技術(shù)的內(nèi)容有如無(wú)人機(jī)遙感航拍技術(shù)，應(yīng)有優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：因?yàn)樾←準(zhǔn)谴竺娣e種植的作物，所以面臨著很重的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，無(wú)人機(jī)遙感航拍技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用為解決大面積麥田監(jiān)測(cè)提供了很好的契機(jī);它以無(wú)人機(jī)作為空中的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，搭載多種遙感設(shè)備進(jìn)行信息的獲取，再將信息內(nèi)容輸入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)得到的信息按需處理，其中集成了多種先進(jìn)技術(shù)，包括微波傳輸、計(jì)算機(jī)圖像處理和遙感技術(shù)等等;凸顯出有航拍影像分辨率高、機(jī)動(dòng)高效、比例尺大等特點(diǎn)，因此可用于對(duì)小麥全蝕病樣本數(shù)據(jù)圖像的采集。

前文所述小麥全蝕病顏色特征，可以在危害等級(jí)分級(jí)中起到重要作用，具體原因?yàn)椋盒←滎伾珪?huì)跟著植株體內(nèi)色素的變化發(fā)生變化，對(duì)不同全蝕病危害等級(jí)下的小麥植株而言，在生理性病變之后，其葉內(nèi)色素會(huì)體現(xiàn)出顯著差異，所以小麥全蝕病的顏色特征對(duì)于危害等級(jí)分級(jí)有重要指導(dǎo)[7]。

綜而，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)基于其相應(yīng)迅速、操作簡(jiǎn)單、性能靈活以及成本低等優(yōu)勢(shì)，配套航拍技術(shù)可以獲得高質(zhì)量小麥監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確識(shí)別小麥全蝕病的不同病害等級(jí)分類，在應(yīng)用上具有可行性與優(yōu)越性。

2.2 基于近地高光譜與無(wú)人機(jī)圖像的小麥葉銹病遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法既費(fèi)時(shí)、又費(fèi)力，想要預(yù)防小麥病蟲(chóng)害凸顯出主觀性、滯后性的缺點(diǎn)，而基于遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)損的監(jiān)測(cè)，可針對(duì)性防治小麥葉銹病的發(fā)生?；诮馗吖庾V與無(wú)人機(jī)圖像技術(shù)的構(gòu)建主要內(nèi)容為：（1）利用ASD地物光譜儀，對(duì)田間不同小區(qū)的光譜反射率進(jìn)行測(cè)定，再經(jīng)過(guò)一階微分的數(shù)據(jù)變換，得到冠層尺度葉銹病在不同DI之下的光譜響應(yīng)特征，可知在發(fā)生葉銹病的危害之后，一階微分光譜曲線可呈“雙峰”特征。（2）確定灌漿早期為近地利用BPNN算法監(jiān)測(cè)小麥葉銹病的最佳時(shí)期[8]。通過(guò)研究認(rèn)為，無(wú)人機(jī)平臺(tái)操作的快捷性、穩(wěn)定性、靈活性以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與提取的便利性，是基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的遙感監(jiān)測(cè)手段更適宜于大面積病害快速監(jiān)測(cè)的主要原因。

2.3 植保無(wú)人機(jī)對(duì)小麥蚜蟲(chóng)與小麥葉蜂的防治

小麥蚜蟲(chóng)與小麥葉蜂均是威脅到小麥的主要害蟲(chóng)，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行防治可以獲得很好的防治效果，特別是在不適宜人工施藥的天氣下，在使用相同劑量殺蟲(chóng)劑的情況下，借助植保無(wú)人機(jī)施藥能夠克服困難、更好地完成作業(yè)，達(dá)到防治效果。與背負(fù)式噴霧器相比，使用相同殺蟲(chóng)劑的前提下，藥后7天內(nèi)尚與無(wú)人機(jī)仿效相當(dāng);但在減少殺蟲(chóng)劑使用量的情況下，在藥后第1天便會(huì)凸顯出顯著的效果差異。提示經(jīng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行藥物噴施，速效性更佳。特別是如果施藥當(dāng)日的風(fēng)力較大，按傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)這種情況不適宜噴藥，但無(wú)人機(jī)操控可以克服這一困難，也體現(xiàn)出無(wú)人機(jī)更好的適應(yīng)性，可以在不同氣象條件下實(shí)現(xiàn)噴藥。

因此從防治效果上來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)可以使用較背負(fù)式噴霧器耕地的藥量來(lái)獲得更好的防治要過(guò)，凸顯出減少用藥量的優(yōu)點(diǎn);從作業(yè)效率上來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)作業(yè)效率較背負(fù)式噴霧器更高。

3 結(jié)論

總結(jié)上文，無(wú)人機(jī)技術(shù)在小麥病蟲(chóng)害防治中的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著成效，但仍然有巨大的提升空間。這主要是由于目前環(huán)境與技術(shù)的限制，通過(guò)對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代環(huán)境的進(jìn)一步深入分析，并探索更高效、完善的無(wú)人機(jī)技術(shù)，將會(huì)促使無(wú)人機(jī)技術(shù)更好地融入小麥病蟲(chóng)害防治實(shí)踐中去，確切凸顯無(wú)人機(jī)的工作效果好、效率高、操作安全以及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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