當前,我國水稻生產(chǎn)正處于從追求單一高產(chǎn)向提質(zhì)增效、綠色生態(tài)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期。傳統(tǒng)的水稻病蟲害防治方式效率低、成本高、污染重,亟須創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。2022年中央一號文件提出“推廣農(nóng)作物病蟲害專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治和綠色防控”,為植保無人機技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用指明了方向。近年來,植保無人機憑借其靈活、高效、環(huán)保等優(yōu)勢,在智慧農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代植保領(lǐng)域嶄露頭角,尤其在水稻等糧食作物病蟲害防控中展現(xiàn)出巨大潛力。然而,如何進一步發(fā)揮植保無人機的優(yōu)勢,突破制約其推廣應(yīng)用的瓶頸,還需要科學系統(tǒng)地分析研究。
一、植保無人機防治水稻病蟲害的技術(shù)原理
1、無人機的飛行控制與作業(yè)規(guī)劃技術(shù)
植保無人機采用先進的飛控系統(tǒng)和高精度傳感器,通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)對飛行姿態(tài)和位置的實時精準控制。在任務(wù)規(guī)劃階段,無人機根據(jù)水稻田地理信息、作物長勢、病蟲害分布等數(shù)據(jù),結(jié)合農(nóng)藝要求和作業(yè)參數(shù),自主生成優(yōu)化的作業(yè)航線。通過轉(zhuǎn)彎半徑動態(tài)調(diào)整、S型航線避障、航跡重疊控制等智能算法,有效提高了植保作業(yè)的針對性和覆蓋率。同時,飛控系統(tǒng)還能根據(jù)風速風向、GPS信號強度等實時調(diào)整飛行參數(shù),確保噴灑效果的均勻性和穩(wěn)定性。高度監(jiān)測和地形跟隨技術(shù)則可使無人機維持與作物冠層的最佳相對高度,在確保飛行安全的同時實現(xiàn)精準變量噴灑。
2、藥劑噴灑系統(tǒng)與變量施藥技術(shù)
植保無人機搭載先進的模塊化噴灑系統(tǒng),集成藥箱、泵、噴頭、霧化裝置等核心部件。采用多通道獨立可控技術(shù),通過電磁閥和高精度流量計精確控制各噴頭的流量和霧滴粒徑。搭配差速霧化和機電聯(lián)動技術(shù),可根據(jù)飛行速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)出液量,確保藥劑沉積分布的均勻性。而基于作物健康大數(shù)據(jù)的變量施藥系統(tǒng)則是植保無人機的一大創(chuàng)新,該系統(tǒng)建立了關(guān)聯(lián)水稻長勢、病蟲測報、農(nóng)藝要求的決策模型,可對不同區(qū)域、不同程度的病蟲發(fā)生進行差異化處理。通過動態(tài)調(diào)整噴灑參數(shù)、選擇性關(guān)閉部分噴頭,在減少農(nóng)藥使用量的同時,最大限度提高防治效率和精準性,助力水稻病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治和綠色防控。
3、障礙物識別與避障技術(shù)
復(fù)雜的水稻田環(huán)境對植保無人機的安全飛行提出了更高要求。先進的機載感知系統(tǒng)融合了可見光、紅外、激光雷達等多源傳感器,可全天候、全方位探測高壓線、農(nóng)田設(shè)施等潛在障礙。圖像處理與計算機視覺技術(shù)能夠快速識別障礙物的類型、尺寸、距離,評估碰撞風險。一旦發(fā)現(xiàn)危險,無人機可通過軌跡重新規(guī)劃、動態(tài)調(diào)高、緊急懸停等策略自主規(guī)避。同時,復(fù)雜環(huán)境下的定位和導(dǎo)航技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新,通過高精度GNSS系統(tǒng)、多傳感器融合定位、同步定位與地圖構(gòu)建等手段,實現(xiàn)了植保無人機的厘米級定位和自主環(huán)境感知。結(jié)合三維障礙地圖和無人機姿態(tài)估計,可構(gòu)建實時虛擬場景,為安全高效作業(yè)提供直觀參考。
二、植保無人機防治水稻病蟲害的應(yīng)用現(xiàn)狀
1、國內(nèi)外植保無人機防治水稻病蟲害的應(yīng)用概況
植保無人機以其高效、精準、環(huán)保等優(yōu)勢,在水稻病蟲害防治中得到快速推廣應(yīng)用。國外發(fā)達國家較早開展植保無人機技術(shù)研發(fā),在關(guān)鍵部件、作業(yè)系統(tǒng)等方面取得系列創(chuàng)新成果。我國植保無人機研究起步較晚,但發(fā)展迅速,在變量施藥、障礙規(guī)避、農(nóng)機協(xié)同等方面實現(xiàn)重點突破。水稻主產(chǎn)區(qū)積極開展應(yīng)用示范,集成運用航空遙感、智能診斷、精準施藥等手段,初步構(gòu)建了“測報—防控—評估”一體化防控體系,為植保無人機規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
2、植保無人機在不同水稻種植區(qū)域的推廣情況
我國水稻種植區(qū)域廣布,不同區(qū)域自然條件、種植制度差異顯著,植保無人機推廣呈現(xiàn)階梯化特征。東北、華北等平原地區(qū)地塊連片、地勢平坦,有利于標準化作業(yè),推廣面積增長較快。長江中下游地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,農(nóng)戶接受度高,植保無人機的智能化功能備受青睞。西南、華南山區(qū)復(fù)雜地形對續(xù)航能力、環(huán)境適應(yīng)性要求更高,新型農(nóng)機服務(wù)組織成為帶動植保無人機應(yīng)用的主力軍??傮w而言,植保無人機正由點狀示范向區(qū)域化推進、規(guī)模化應(yīng)用加速躍升。
3、植保無人機防治水稻主要病蟲害的實際效果評價
通過在水稻主要病蟲害高發(fā)區(qū)開展大量試驗示范,植保無人機防治水稻紋枯病、稻瘟病的藥械畝控制效果較人工防治提高10%以上;對稻飛虱、稻縱卷葉螟的防治效果提升15%-20%。得益于高精度變量施藥技術(shù),植保無人機可大幅降低農(nóng)藥用量和勞動力投入,畝均防治成本節(jié)省30%以上。同時,植保無人機作業(yè)效率是人工防治的10倍以上,大幅提高水稻生產(chǎn)“減藥增效”水平。總體而言,植保無人機為水稻病蟲害綠色防控提供了新型解決方案。
4、植保無人機應(yīng)用中存在的問題與不足
植保無人機在推廣應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn):自主智能水平有待提升,復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力偏弱;高溫、大風等極端天氣易導(dǎo)致霧滴飄移、蒸發(fā),影響沉積率;購置成本高,專業(yè)化服務(wù)組織覆蓋不足;行業(yè)標準規(guī)范滯后,市場化服務(wù)良莠不齊;低空管理、農(nóng)藥施用監(jiān)管等法律法規(guī)不明確。未來亟需多方協(xié)同發(fā)力,加快核心技術(shù)攻關(guān)、標準規(guī)范制定、示范推廣引導(dǎo),健全配套政策,強化行業(yè)監(jiān)管,推動植保無人機在水稻病蟲害防控中發(fā)揮更大作用。
三、植保無人機與傳統(tǒng)水稻病蟲害防治方式的比較
1、防治效率與效果的對比分析
植保無人機以其高效率、高精度、高技術(shù)等特點,在水稻病蟲害防治領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越優(yōu)勢。研究表明,植保無人機對水稻紋枯病的防治效果高達86.20%,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)人工噴霧防治水平。這得益于植保無人機獨特的飛行控制和藥液噴灑系統(tǒng),可實現(xiàn)對病蟲害精準打擊,有效提高農(nóng)藥利用率。此外,植保無人機可根據(jù)作物長勢、病蟲發(fā)生程度開展變量噴施,在遏制病蟲危害的同時減少農(nóng)藥使用量。不同于人工作業(yè)效果易受天氣、地形等因素干擾,植保無人機憑借智能作業(yè)系統(tǒng)可確保噴灑均勻度,為水稻病蟲害高效防治開辟新途徑。
2、勞動力與成本投入的對比分析
植保無人機正在顛覆傳統(tǒng)水稻病蟲害防治格局。常規(guī)人工防治需要大量勞動力投入,作業(yè)效率低下,已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。引入植保無人機可從根本上破解“防治難”問題。單架無人機的日作業(yè)量可超過20公頃,是人工效率的數(shù)十倍;以百畝稻田為例,全程防治僅需數(shù)小時,而非數(shù)十個工日。同時,依托定量噴灑技術(shù),植保無人機可節(jié)省30%左右農(nóng)藥使用量,大幅降低防治成本。盡管前期投入較高,但綜合考慮其多方面優(yōu)勢,植保無人機的單位面積防治成本依然低于人工20-50元。
3、對水稻田生態(tài)環(huán)境影響的對比分析
在傳統(tǒng)水稻病蟲害防治中,過度依賴化學農(nóng)藥帶來的環(huán)境污染問題日益凸顯。作為一種創(chuàng)新性解決方案,植保無人機正在重塑稻田生態(tài)保護理念。首先,相較于常規(guī)防治,植保無人機對施用農(nóng)藥有著更為嚴苛的標準,傾向于選用高效、低毒、低殘留的藥劑,最大限度降低生態(tài)風險。其次,得益于精準變量施藥技術(shù),植保無人機可“因病施藥”,減少藥劑過量使用和漂移損失。據(jù)研究顯示,植保無人機防治后農(nóng)藥殘留量較人工降低50%以上。此外,植保無人機采用超低容量噴霧,有利于提高農(nóng)藥在靶標上的附著量,在降低使用劑量的同時提升防治效果,更加有利于維系農(nóng)田生態(tài)平衡。
四、提高植保無人機防治水稻病蟲害效果的關(guān)鍵技術(shù)
1、大田環(huán)境下水稻病蟲害的精準監(jiān)測與識別技術(shù)
植保無人機要實現(xiàn)對水稻病蟲害的精準防控,首先需建立田間的實時監(jiān)測與智能識別體系。近年來,基于多源遙感數(shù)據(jù)的水稻病蟲害監(jiān)測技術(shù)取得重要進展。研究人員利用無人機搭載多光譜相機,獲取不同生長時期水稻冠層的高光譜影像,構(gòu)建光譜指數(shù)與病蟲害嚴重度的定量關(guān)系模型,實現(xiàn)對稻瘟病、紋枯病等重大病害的早期診斷和面積測量。同時,深度學習方法在復(fù)雜場景下水稻病蟲害智能識別中得到廣泛應(yīng)用。通過海量圖像數(shù)據(jù)訓(xùn)練,構(gòu)建的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可從無人機采集的高清彩色照片中快速、準確地識別出稻飛虱、二化螟等主要害蟲,為開展“精準測報、對癥防控”提供關(guān)鍵支撐。
2、基于水稻長勢與病蟲害發(fā)生程度的變量施藥決策技術(shù)
傳統(tǒng)植保無人機往往采取“均質(zhì)化”的施藥策略,忽視了田塊內(nèi)部作物長勢和病蟲發(fā)生程度的空間差異,導(dǎo)致局部用藥過量或不足。針對這一難題,農(nóng)業(yè)工程師開發(fā)了一套變量施藥決策系統(tǒng),可根據(jù)作物“健康狀況”動態(tài)調(diào)整施藥處方。該系統(tǒng)綜合分析多源監(jiān)測數(shù)據(jù),包括遙感反映的植被指數(shù)、田間傳感器測定的小氣候參數(shù)、常規(guī)統(tǒng)計的病蟲發(fā)生程度等,構(gòu)建多因素智能分析模型,對每個網(wǎng)格單元的施藥時間、用藥種類和劑量進行優(yōu)化決策,形成處方圖指導(dǎo)無人機作業(yè)。在此基礎(chǔ)上,將變量施藥貫穿水稻生長全周期,構(gòu)建覆蓋農(nóng)事管理、資源調(diào)配、災(zāi)害預(yù)警等環(huán)節(jié)的智能決策體系,可實現(xiàn)藥劑利用率和防治效果雙提升。
3、復(fù)雜環(huán)境下無人機的自主飛行與精準作業(yè)控制技術(shù)
水稻種植區(qū)地形地貌復(fù)雜,稻田空間結(jié)構(gòu)多樣,高壓線、水利設(shè)施等障礙物密布,對無人機的安全飛行和精準作業(yè)構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)。為此,亟須發(fā)展復(fù)雜環(huán)境下的無人機自主控制技術(shù)。一方面,要進一步增強傳感器的環(huán)境適應(yīng)性和信息獲取能力,在無人機上搭載毫米波雷達、激光雷達等先進設(shè)備,通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合,實現(xiàn)對飛行環(huán)境的全方位感知。另一方面,需要突破無人機自主導(dǎo)航與避障的核心算法,優(yōu)化路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤模型,使無人機具備實時分析環(huán)境、動態(tài)調(diào)整航線的能力。同時,發(fā)展面向作物的自適應(yīng)變量噴灑技術(shù),通過實時反饋冠層參數(shù),動態(tài)調(diào)節(jié)飛行高度和噴霧角度,在保證沉積均勻性的同時最大限度減少漂移損失。
4、施藥后的藥效評估與劑量優(yōu)化技術(shù)
科學評估植保無人機的施藥藥效,是提升防治水平、減少環(huán)境污染的關(guān)鍵。當前,藥效評估主要依賴人工取樣和實驗室化驗,存在時效性差、過程難溯源等問題。近年來,農(nóng)田農(nóng)藥殘留動態(tài)監(jiān)測技術(shù)取得新進展。研究人員利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器實時采集環(huán)境參數(shù),結(jié)合農(nóng)藥理化性質(zhì)、施藥工況等構(gòu)建環(huán)境行為模型,模擬農(nóng)藥在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程。通過與病蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)、作物長勢信息進行時空配準,可定量評估無人機施藥效果和生態(tài)環(huán)境影響。在此基礎(chǔ)上,農(nóng)藥劑量優(yōu)化算法受到廣泛關(guān)注。通過比對不同劑量組合下的防治效果和成本收益,篩選出最佳施藥方案,在源頭上實現(xiàn)農(nóng)藥減量增效。
五、促進植保無人機在水稻病蟲害防治中推廣應(yīng)用的策略
1、加強關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)與集成創(chuàng)新
推動植保無人機在水稻病蟲害防治中規(guī)模化應(yīng)用,必須堅持自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新,重點攻克一批制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。圍繞植保無人機的精準作業(yè)需求,加快突破超低空飛行控制、自主避障、變量噴灑等核心技術(shù),優(yōu)化機體結(jié)構(gòu)設(shè)計,提升作業(yè)效率和噴灑精度。針對水稻病蟲害防控需求,發(fā)展集成機載智能診斷、靶標識別、施藥決策、藥效評估等功能的植保無人機系統(tǒng),實現(xiàn)“測報-施藥-評估”一體化。同時,統(tǒng)籌衛(wèi)星遙感、低空監(jiān)測、地面信息等數(shù)據(jù)資源,建立涵蓋全生育期的水稻病蟲害協(xié)同防控體系,為科學用藥提供智力支持。
2、完善行業(yè)標準規(guī)范,規(guī)范植保無人機的生產(chǎn)與應(yīng)用
規(guī)范行業(yè)發(fā)展亟須完善標準體系。一方面,制定植保無人機分類、關(guān)鍵部件技術(shù)要求等標準規(guī)范,明確動力性能、導(dǎo)航控制、作業(yè)覆蓋率、藥劑利用率等量化指標,為植保無人機的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、組裝調(diào)試等提供統(tǒng)一遵循。另一方面,結(jié)合水稻種植特點和病蟲發(fā)生規(guī)律,細化不同生育期的最佳作業(yè)參數(shù)、施藥方式、藥劑選擇、劑量配比等要求,形成可操作的田間作業(yè)技術(shù)規(guī)程。同時,加強對植保無人機駕駛員的持證上崗管理,強化安全意識教育,規(guī)范飛防作業(yè)行為。此外,明晰事故責任認定、風險分擔等法律制度,為行業(yè)健康有序發(fā)展提供法治保障。
3、加大政策支持力度,降低用戶的使用成本
高昂的植保無人機購置和維護成本制約了技術(shù)推廣。政府應(yīng)加大政策扶持,設(shè)立專項補貼資金,對購置、使用植保無人機的農(nóng)戶給予一定比例補貼,降低初始投資門檻。支持金融機構(gòu)開發(fā)面向新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體的信貸產(chǎn)品,提供低息貸款支持。鼓勵發(fā)展植保無人機“共享經(jīng)濟”,引導(dǎo)農(nóng)機合作社等社會化服務(wù)組織大規(guī)模購置植保無人機,為農(nóng)戶提供統(tǒng)防統(tǒng)治服務(wù),攤薄單戶防治成本。完善植保無人機投入品和防治服務(wù)的價格形成機制,引導(dǎo)價格合理化。將植保無人機納入農(nóng)業(yè)保險范疇,提高保險保障水平,分散農(nóng)戶風險。此外,加大稅收優(yōu)惠力度,為植保無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。
4、強化技術(shù)培訓(xùn)與示范推廣,提高基層植保隊伍的應(yīng)用能力
當前基層缺乏掌握現(xiàn)代植保技術(shù)的實用人才,制約了植保無人機的精準規(guī)范使用。要采取“請進來、走出去”等方式,有針對性地開展植保無人機駕駛操作、程序設(shè)置、故障排查等實用技能培訓(xùn),提升基層植保隊伍的整體素質(zhì)。完善農(nóng)技推廣體系,依托鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)技站、農(nóng)機服務(wù)中心等,整合多方力量,構(gòu)建“生產(chǎn)-供銷-技術(shù)”一體化服務(wù)模式。在農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)建設(shè)一批植保無人機示范基地,發(fā)揮示范引領(lǐng)和輻射帶動作用,探索“政府引導(dǎo)、企業(yè)參與、合作社組織、農(nóng)戶受益”的推廣新機制。充分發(fā)揮新型職業(yè)農(nóng)民在技術(shù)推廣中的骨干作用,以點帶面營造“農(nóng)民學農(nóng)民”的良好氛圍,加速先進適用技術(shù)在生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
總言之,植保無人機以其高效率、低成本、可持續(xù)等顯著優(yōu)勢,正在成為水稻病蟲害防治領(lǐng)域的革命性力量。但該項技術(shù)要真正實現(xiàn)規(guī)?;茝V應(yīng)用,還需在精準感知、智能決策、自主作業(yè)等方面實現(xiàn)新的突破。未來應(yīng)以需求為牽引、以問題為導(dǎo)向,著力打通技術(shù)研發(fā)、標準制定、示范推廣、服務(wù)監(jiān)管等各個環(huán)節(jié)。同時,還要充分發(fā)揮政府引導(dǎo)、龍頭企業(yè)帶動、基層組織配合、農(nóng)戶積極參與的聯(lián)動機制,調(diào)動多方力量協(xié)同發(fā)力。相信通過產(chǎn)學研用各界的共同努力,植保無人機必將成為助力我國水稻生產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展的新引擎,為保障國家糧食安全、促進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展貢獻更大力量。
(作者單位:1.535300廣西壯族自治區(qū)欽州市浦北縣植物保護站;2.535300廣西壯族自治區(qū)欽州市浦北縣農(nóng)業(yè)發(fā)展中心;3.535300廣西壯族自治區(qū)欽州市浦北縣農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測站)