基于無人機(jī)的香榧人工授粉探析

周 劍

（寧國市林業(yè)事業(yè)發(fā)展中心，安徽 寧國 242300）

香榧的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，其獨(dú)特的生物學(xué)特性和授粉需求是林業(yè)研究的重要領(lǐng)域之一。香榧的成功授粉對(duì)其種子的產(chǎn)量和質(zhì)量具有直接影響。實(shí)踐中，由于香榧授粉機(jī)制的特殊性，傳統(tǒng)人工授粉方法存在效率較低、勞動(dòng)強(qiáng)度較大等問題。近年來，無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，其在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用前景廣泛。在香榧人工授粉技術(shù)的研究中，相關(guān)研究者通過詳細(xì)分析香榧的花粉傳播方式和環(huán)境適應(yīng)性，提出了多種提高授粉成功率的策略[1-3]。在無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)方面，無人機(jī)在作物監(jiān)測、病蟲害防治等方面的研究較多，展現(xiàn)了無人機(jī)在森林資源監(jiān)測、林火預(yù)防和控制方面的潛力。在人工授粉領(lǐng)域，無人機(jī)不僅能夠提高授粉效率，還可在復(fù)雜的地形和大面積林區(qū)中發(fā)揮重要作用[4-6]。鑒于此，本文探討了基于無人機(jī)的香榧人工授粉技術(shù)，在分析香榧的生物學(xué)特性的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)授粉方法的局限性以及無人機(jī)授粉的優(yōu)勢(shì)，以提高香榧人工授粉的效率和準(zhǔn)確性，為無人機(jī)在林業(yè)方面的應(yīng)用提供參考。

1 香榧的生物學(xué)特性與授粉需求

1.1 香榧的生物學(xué)特性

香榧作為一種落葉喬木，葉片呈長橢圓形，其生長習(xí)性特殊，偏好溫暖濕潤的氣候和肥沃的土壤，在自然界分布相對(duì)集中，主要生長在山地或丘陵地區(qū)。香榧屬于風(fēng)媒授粉植物，雌雄異株。在自然條件下，風(fēng)媒授粉依賴于天氣條件和植株之間的空間分布，雖然可以節(jié)省植物吸引昆蟲或其他動(dòng)物授粉的能量成本，實(shí)踐中其成功率受風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度等多種因素影響[1]。香榧的種子經(jīng)過授粉后通常需要較長的成熟期，這一生物學(xué)特性在一定程度上限制了其繁殖和擴(kuò)散。此外，香榧的果實(shí)和種子也具有顯著特點(diǎn)。香榧的果實(shí)為堅(jiān)果，具有豐富的油脂和營養(yǎng)物質(zhì)，是野生動(dòng)物重要的食物來源，其食用和藥用價(jià)值較高。香榧種子的發(fā)育周期較長，對(duì)其生存策略和人工培育均帶來了一定挑戰(zhàn)。

1.2 香榧人工授粉

香榧作為風(fēng)媒授粉植物，其自然授粉過程依賴風(fēng)力和風(fēng)向等環(huán)境因素，因此授粉過程具有不確定性。自然條件下，風(fēng)媒授粉的效率受限于氣候變化和地理位置，尤其是在非自然分布區(qū)的人工種植環(huán)境中，自然授粉不穩(wěn)定性更為明顯。此外，由于香榧雌雄異株的特性，自然授粉還需要合適的雌雄植株比例和分布，以確保授粉成功。在實(shí)際的種植過程中，這些條件通常難以完全滿足，從而影響了授粉效果和最終產(chǎn)量。鑒于自然授粉的局限性，人工授粉成為提高香榧授粉效率和產(chǎn)量的有效途徑之一。人工授粉可以更精確地控制授粉時(shí)間和數(shù)量，從而提高授粉的成功率[2]。在商業(yè)化種植中，人工授粉可以在一定程度上克服自然授粉的不確定性，確保穩(wěn)定產(chǎn)出。此外，人工授粉還能夠自主選擇優(yōu)質(zhì)的授粉源，提高種子的品質(zhì)和生長潛力。

1.3 常見授粉方法

現(xiàn)有的香榧授粉方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。首先，該授粉方法依賴人工操作，需要一定勞動(dòng)力參與，且由于授粉的技術(shù)性和細(xì)致性要求較高，操作者需要具備一定專業(yè)知識(shí)和技能。在實(shí)際操作過程中，由于人為因素差異，難以保證授粉的一致性和準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致授粉效果波動(dòng)，進(jìn)而影響種子的結(jié)實(shí)率和果實(shí)的品質(zhì)。其次，由于香榧是風(fēng)媒授粉植物，其自然授粉過程受多種環(huán)境因素影響，在自然條件下，環(huán)境因素的不確定性使授粉過程具有較大偶然性。在傳統(tǒng)人工授粉中，可以在一定程度上控制授粉時(shí)間和數(shù)量，但難以完全模擬自然授粉條件，因此在效果上通常難以完全滿足種植的需求。此外，天氣條件對(duì)傳統(tǒng)授粉方法的影響尤為顯著。例如，雨水和強(qiáng)風(fēng)等不利天氣可能導(dǎo)致授粉過程被中斷，甚至影響授粉質(zhì)量。最后，從成本效益角度考慮，傳統(tǒng)授粉方法下勞動(dòng)力成本逐漸上升，且授粉效率較低，難以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需求。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展，尤其是無人機(jī)等現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)授粉方法局限性更加凸顯?，F(xiàn)代技術(shù)不僅能夠在一定程度上提高授粉效率，還將降低人力成本，從而在更廣泛的范圍內(nèi)提高香榧種植的經(jīng)濟(jì)效益。

2 基于無人機(jī)的香榧人工授粉優(yōu)勢(shì)

2.1 提高授粉效率與覆蓋面積

一方面，無人機(jī)授粉技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)覆蓋廣大種植面積，提高授粉效率。同時(shí)，無人機(jī)不僅能迅速飛越整個(gè)種植區(qū)域，還能精確地在各個(gè)植株之間進(jìn)行授粉作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。另一方面，在大規(guī)模香榧種植基地中，無人機(jī)能在有限時(shí)間內(nèi)完成大面積授粉工作[3]，不僅可以降低人力成本，還能夠優(yōu)化生產(chǎn)流程。

2.2 提高花粉投放的精確度

在傳統(tǒng)人工授粉過程中，花粉投放通常依賴人工操作，易導(dǎo)致花粉分布不均或者投放量過多或過少，影響授粉成功率和后續(xù)果實(shí)品質(zhì)。無人機(jī)通過其傳感器和算法，能夠精確地計(jì)算出最佳花粉投放量和投放位置，使每個(gè)植株都能得到適量且高質(zhì)量的花粉，從而提高授粉率。同時(shí)，通過無人機(jī)精確操作，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以針對(duì)特定區(qū)域或特定種類植株進(jìn)行針對(duì)性授粉，例如，在特定生長周期或環(huán)境條件下，部分植株可能需要更多花粉或選擇更精確的授粉時(shí)間，而無人機(jī)則能夠輕易地滿足這些需求，從而優(yōu)化資源配置，也為提升香榧的整體產(chǎn)量和品質(zhì)提供了有力支持[4]。

2.3 增強(qiáng)授粉靈活性和適應(yīng)性

在傳統(tǒng)授粉方式中，天氣狀況、地形復(fù)雜度等環(huán)境因素會(huì)對(duì)授粉效率和成功率造成影響。實(shí)踐中，由于無人機(jī)具有高度機(jī)動(dòng)性和先進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)，即使在多變或惡劣的環(huán)境條件下，其也能保持穩(wěn)定和高效的操作，例如，在風(fēng)力過大或受雨水干擾情況下，無人機(jī)能通過內(nèi)建傳感器和算法來自動(dòng)調(diào)整飛行參數(shù)和路徑，確?；ǚ勰芫珳?zhǔn)投放到目標(biāo)植株上，降低因環(huán)境變數(shù)導(dǎo)致的授粉失敗風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)可靠性。同時(shí)，無人機(jī)的可編程性和智能化設(shè)計(jì)允許農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者或研究人員根據(jù)具體種植條件來定制授粉模式，如根據(jù)植株密度、花期時(shí)序差異以及其他生長因素來實(shí)施精細(xì)化的授粉策略。

3 基于無人機(jī)的香榧人工授粉操作步驟

3.1 地塊選擇與評(píng)估

在基于無人機(jī)的香榧人工授粉項(xiàng)目中，地塊選擇與評(píng)估是一項(xiàng)至關(guān)重要的前期工作。首先，依據(jù)多個(gè)地理和生態(tài)因素進(jìn)行地塊的初步選擇，包括地形、土質(zhì)和海拔等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)須考慮無人機(jī)飛行安全性和授粉效率，選擇的地塊應(yīng)具有較緩的坡度，土層深度不低于50 cm，并且確保土質(zhì)疏松，以促進(jìn)香榧樹的生長和花粉的傳播，海拔條件也應(yīng)被納入考量范疇，通常選擇平均海拔200 m的低山地帶。以上條件能夠確保無人機(jī)在最佳生態(tài)環(huán)境過程中的高效授粉效率活動(dòng)[5]。其次，在確定候選地塊之后，進(jìn)一步進(jìn)行地塊評(píng)估工作。要進(jìn)行土層深度精確測量，以確保其滿足至少50 cm 的土層深度標(biāo)準(zhǔn)，這不僅影響香榧樹生長，還對(duì)無人機(jī)在低空飛行過程中的授粉效率具有直接影響。最后，詳細(xì)分析土壤樣本，技術(shù)人員應(yīng)評(píng)估土質(zhì)疏松度和營養(yǎng)成分，以預(yù)測和解釋授粉成功率。此外，坡度測量會(huì)影響無人機(jī)飛行穩(wěn)定性，因此須由專業(yè)地質(zhì)評(píng)估團(tuán)隊(duì)進(jìn)行測量和分析。以上信息不僅有助于無人機(jī)飛行路徑規(guī)劃，還能為后續(xù)科學(xué)管理提供參考。

3.2 無人機(jī)檢查與種苗準(zhǔn)備

在基于無人機(jī)的香榧人工授粉項(xiàng)目中，無人機(jī)檢查與種苗準(zhǔn)備至關(guān)重要。首先，無人機(jī)檢查包括電池、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）和載荷狀態(tài)全面審查，應(yīng)確保電池電量充足，避免由于電量不足而影響無人機(jī)的飛行時(shí)長和授粉質(zhì)量。其次，GPS 模塊需要精確和穩(wěn)定，以確保無人機(jī)可以精確地導(dǎo)航到預(yù)定的授粉區(qū)域，同時(shí)，載荷狀態(tài)也須符合技術(shù)規(guī)格，如花粉噴灑器的工作狀態(tài)和載荷容量，均會(huì)直接影響授粉的成功率。其次，須開展種苗準(zhǔn)備工作，選擇種苗時(shí)，須使用優(yōu)良品種接穗嫁接的容器嫁接苗，此種苗木通常具有更快的生長速度和更好的適應(yīng)性。關(guān)于年齡和健康標(biāo)準(zhǔn)，選用的苗木應(yīng)具有較高的苗齡，確保其根系和葉片均處于良好狀態(tài)，同時(shí)容器必須保障完整無破損，以避免根系受損，苗木葉色應(yīng)為濃綠，葉子硬實(shí)，手觸時(shí)具有扎手感，頂芽飽滿，且嫁接口須平整、牢固[6]。這一系列準(zhǔn)備工作可將無人機(jī)和種苗調(diào)整到最佳狀態(tài)，以確保接下來的授粉活動(dòng)能夠高效、準(zhǔn)確并成功地進(jìn)行。綜合準(zhǔn)備工作能夠提高授粉效率，并為項(xiàng)目開展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 飛行路徑規(guī)劃與授粉算法

為規(guī)劃最優(yōu)飛行路徑，首先需要考慮香榧樹冠高度和分布特點(diǎn)，利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和遠(yuǎn)程感應(yīng)技術(shù)，生成樹冠三維模型，進(jìn)而分析其空間分布與結(jié)構(gòu)，以確保無人機(jī)能有效覆蓋整個(gè)樹冠，且每個(gè)花序都能得到足夠的花粉。其次，路徑規(guī)劃需要考慮風(fēng)速和風(fēng)向等氣象條件，否則會(huì)影響花粉傳播效果和無人機(jī)飛行穩(wěn)定性。此外，與飛行路徑規(guī)劃密切相關(guān)的是授粉算法的開發(fā)或選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，采用圖像識(shí)別算法來自動(dòng)識(shí)別香榧花，該算法通常會(huì)利用深度學(xué)習(xí)或其他機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)攝像頭捕獲到的圖像進(jìn)行分析，從而精確定位每一朵即將開放或已經(jīng)開放的花朵。最后，應(yīng)編寫自動(dòng)授粉程序來控制無人機(jī)，使其能準(zhǔn)確地將花粉噴灑到目標(biāo)花朵上。此外，需要設(shè)計(jì)一套有效程序，以確定何時(shí)啟動(dòng)花粉噴灑器、何時(shí)需要調(diào)整飛行高度或路徑，以適應(yīng)不同樹冠的實(shí)際情況。

3.4 實(shí)地操作與數(shù)據(jù)收集

在經(jīng)過地塊選擇、無人機(jī)與種苗準(zhǔn)備以及飛行路徑與授粉算法規(guī)劃之后，將進(jìn)入實(shí)地操作與數(shù)據(jù)收集階段。首先，選擇在示范區(qū)進(jìn)行實(shí)地飛行。在飛行前，技術(shù)人員通過與地面站的無線連接，將預(yù)先編寫的自動(dòng)授粉程序上傳到無人機(jī)飛控系統(tǒng)中。當(dāng)無人機(jī)起飛，預(yù)設(shè)授粉程序自動(dòng)啟動(dòng)，無人機(jī)按照事先規(guī)劃的飛行路徑高效、準(zhǔn)確地對(duì)香榧花進(jìn)行人工授粉。其次，數(shù)據(jù)收集同步開展。在無人機(jī)裝配的多個(gè)傳感器和攝像頭的幫助下，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行穩(wěn)定性、電池電量和GPS定位精度等關(guān)鍵參數(shù)，收集授粉效果、覆蓋范圍等多維度數(shù)據(jù)[7]。以上數(shù)據(jù)可用于技術(shù)人員評(píng)估實(shí)地操作效果，還可以為未來更大規(guī)模、更高精度的授粉工作提供參考。最后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)被傳送到地面站，分析軟件會(huì)立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，如果發(fā)現(xiàn)任何偏離預(yù)設(shè)條件的情況（如飛行不穩(wěn)、授粉不均等），操作人員可以實(shí)時(shí)進(jìn)行微調(diào)，以確保整個(gè)授粉過程能夠按計(jì)劃順利進(jìn)行。

綜上所述，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用為香榧人工授粉帶來了新的機(jī)遇。本文探討了基于無人機(jī)的香榧人工授粉技術(shù)，在分析香榧的生物學(xué)特性基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)授粉方法的局限性以及無人機(jī)授粉的優(yōu)勢(shì)，以提高香榧人工授粉的效率和準(zhǔn)確性，為無人機(jī)在林業(yè)方面的應(yīng)用提供參考。