水田绿肥无人机装备技术研究与应用

2021-12-26邵海兵蔡小荣

农村科学实验 2021年28期

邵海兵蔡小荣

（1.江苏省如东县农机化技术推广服务站，江苏南通 226400；2.如东县农业机械化技术学校，江苏南通 226400）

本文重点对水田绿肥播种的管理方式这方面应用无人机技术展开探究，在播种的环节中介绍了多项的无人机播种装置技术，并且对其工作原理及效果进行简单分析；在田间的管理环节中对无人机应用于田间检测、施肥及病虫预防进行分析，对此提出相关的建议及对策。

我国地域广袤，不同地域间的地形地貌及资源环境差异性较大，在种植过程中对各项的作业机具的要求也不尽相同。据相关统计，我国排水不畅的冷浸田占全国水稻种植区域的15.7%，沿海滩涂的总面积大220万km2，这些区域都是水田绿肥耕作的潜在资源。此外在丘陵地带，由于其地块面积小、高差大，在耕作的过程中也难以实现大面积机器的作业。引用无人机技术，在操作过程中更加的灵活方便，不需要准备专门的机场，可以在田地间实现自由升降，也可以对既定的航线进行设定以此自动导航飞行，能够对地面难以实现的区域进行有效的作业。将无人机引用到当前的农业种植领域中，能够有效地提升生产种植的效率，提高现代化农业建设的水平。当前，农用无人机技术应用领域在作业的领域范围较为广泛，包含水稻、小麦等主要的粮食作物，以及葡萄、柑橘、茄子等蔬菜水果，在棉花、花生种植中取得了良好的防治效果，积累了相应的实践经验，但在当前农用无人机应用到绿肥作物促进生产还并未因其足够的重视。

1.无人机技术的农业应用

在1917年，全世界范围内的第一台无人机问世，在其结构中为无线操纵的小型单翼型无人机，在此之后，无人机经历了由一般到高端的变化阶段，但在其主要的用途方面则主要局限于军事领域。这种情况的转变发生在1987年，由日本Yamaha公司推出的世界上第一架农用无人机，生产出了20kg的喷药级无人机R-15。从此之后，无人机在农业领域的发展的优势得到大幅度的认可。近几年来，随着科学技术的不断创新发展，无人机在农业种植领域取得了突破性的进展。2014年美国《科技评论》杂志将农业无人机应用排在了“2014年十大最具突破性创新”之首。目前，在农用无人发展中主要是应用于病虫防治、飞播（水稻等农作物种子以及树木草种等）、授粉、浓情监测及灾情探查等方面。

1.1 病虫害防治

在无人机农业应用领域方面，针对病虫害防治以美国为例，美国当前拥有者两千多家的农业航空公司，且每年农业处理耕地面积达3400万hm2这在美国的实际耕种面积中已经占到40%，在此过程中针对水稻种植无人机运用已经达到100%。日本在这二十几年来的发展过程中，当前已经拥有着2400多架已经注册的农业无人机，且能够操作的专业人员就达14000多人，是当前世界上最大的无人机农药喷洒国家。我国的农业无人机技术应用相对较晚，但在近几年来的发展中，随着科学技术投入力度的不断增强植保无人机型逐渐增多，其实际的应用范围也越来越广，对于农业植保无人机的研究已经进入了新的阶段，在当前国内植保民用无人机体量最大的便是DGI MG-1S无人机，此项机型最大飞行作业速度为8m/s-1在每次开展的作业之前，拿着遥控器经农田走上一圈，规划好无人机的飞行航线，提前设置好喷洒的参数及作业方式，这样上传到植保的无人机就可以进行作业，一般情况下一天可以完成26.7hm2～33.3hm2作业。

1.2 飞播

运用无人机与人工的播种方式相比较，不仅在效率上有着大幅度的提高，而且在播种中更加的均匀。DroneSeed公司是美国无人机播种的品牌，该公司在核心领域方面在于其选址技术，无人机上边的传感器能够将扫描地区的地址制作成三维立体模型，并且能够在此基础上选择较为合适的区域开始种植，以其精确的选址来确保种子的成活率，在此之后可以运用压缩空气的方式将种子发射到土壤中，以此实现无人机播种。在当前国内，新疆天山羽人农业航空公司生产的3WDM8-20农用无人机在飞播水稻中，在相关人员的操作下，每分钟能够实现0.2hm2水稻等播种，有效地缩短了农时，提高了生产效率。

1.3 施肥

运用无人机施肥中，能够将肥料均匀地喷洒，实际施肥效果非常明显。在法国的葡萄庄园就经常性的采用无人机施肥技术，在日常作业过程中，果树的叶片能够正反面的有效施肥，以此能够有效地节省出50%的农资投入量。运用无人机施肥则是实现了由传统粗放式的施肥向着精准化施肥的转变，不仅能够有效地节省出了大量的化肥使用量，还能够提高化肥使用率，与当前的绿色环保发展理念相符合。

1.4 授粉

2017年，日本的相关研究人员设计出了一种蜜蜂形状的微型无人机，以此用来协助蜜蜂进行授粉，这种无人机大小约为5cm。研究人员在这款无人机的底部粘贴了一小块动物的皮毛，在这上面涂上了一层离子液体凝胶的特殊性胶水，当无人机在经过人们有意识的操作中，飞到一片花朵上时，花粉等颗粒就能够轻轻地站在凝胶上，在无人机再次飞到另一朵花上时，花朵的颗粒就会落下，运用胶水的粘性就能够轻松地实现授粉、撒粉。

1.5 农情监测

运用无人机的遥感测绘、建模技术，配合当前互联网应用，能够构造出农田3D空间模型平台，为植保人员提供农田的空间模型、作物信息、病虫害的防治信息、位置关系，尤其是光照温度、空气湿度等外界环境数据，从而对农情进行有效的检测。

2.水田无人机播种装备研究

运用无人机播种技术能够实现部分地区因为无法实现机械化种植问题，当前无人机的播种装备主要有离心式、拨杆式及气力式这三种结构形式，在水田绿肥无人机播种装置中就可以借助以上这几种结构进行绿肥种子的播种。

2.1 离心式无人机电动撒播装置

目前，离心式无人及装置主要分为离心圆管式及离心圆盘式，运用该种装备在作业中较为方便，能够有效地提高效率，周身采用碳纤维机身设计，在质量方面重约1.2kg，有效输入电压为3.0v～4.2v，播撒速度为4L/min-1，可达8L,能够便捷的与多项无人机进行匹配，从而渗入到地面上机械难以到达的区域，能够适应多种水田绿肥品种的种植作业。

此项播撒装置适用于对均匀度要求不高的水田绿肥作物粗播，缺点为在落种区域为圆弧形，在同样相邻的两种区域之间就很容易形成重播及漏播现象，播撒均匀度不高，且在作业过程中针对付款的调控较为困难。

2.2 拨杆式无人机播撒装置

拨杆式无人机播撒方式其应用原理为采用电磁感应定律，将电能转换为机械能，引用高速电机带动拨杆进行播种作业。拨杆式无人机在播撒结构方式上较为简单，其缺点在于缺少定量的播种结构，对使用不同的绿肥种子的适应性程度不高。

2.3 气力式无人机播撒装置

气力式无人机在结构上主要由风机、分流箱、排种槽轮及倒流通道组成。在工作运行中主要经过排种槽轮有效的调控种子的颗粒排量，由风机产生的高速气流通过入风口将种子颗粒吹到倒流的通道排出，对于种子播撒过程中的播撒量及运动轨迹有着一定的人为可控性。运用气力式无人机播撒装置，能够实现排量随着无人机前进的速度变化而进行相应的调节，这种方式能够有效地实现了播撒过程中的均匀性问题，但在其飞行高度、倒流通道锥角及气流出口尺寸等方面还有待进一步进行优化。

3.无人机田间管理设备

在绿肥的生产过程中，要对田间的作物加强管理，这对提高鲜草产量及根系固氮效果有着重要的促进作用。目前，引用农业无人机技术在田间的管理工作中主要对农情监测、作物施肥、田间病虫的妨害等方面的应用。

3.1 农情监测

在田间管理环节中，针对农情监测工作运用无人机同步搭载高清数码摄像机、热像仪、传感器等相应设备，从而可以获取到低空分辨率遥感数据，对这些数据进行软件分析处理便可实现数据处理与解析，能够有效地获取到农作物的叶面积数值及其产量，冠层温度等一些农情信息。运用该项技术能够为探寻绿肥作物雨中及基因边线管理规律提供帮助支持。

3.2 农田施肥

在水田绿肥生产过程中，不仅要对其进行有效的种植，还要在管理工作上做到悉心呵护，这样才能够有效地增加种植的产量。在豆科作物生产过程中如果缺少必要的氮肥将对降低其根系的固氮效应；油菜生长过程中对磷素、硼素的反应激烈，如果在其生长过程中缺啥相应的磷元素，则会出现减产的现象。使用无人机技术能够对作物叶片的正反面喷施肥液，在此过程中就需要根据实际产量要求调配好肥料的浓度及酸度，同时根据天气气候等因素选择出合适的喷洒时间。另外在喷洒肥料的过程中可以适当地添加一些助剂，以此提高肥液在植物叶片之上的粘附力，从而有效地促进植物对肥液进行吸收。与传统的人工操作相比较，运用带有导航的无人及操作技术，在工作过程中每小时的工作量可以达到4hm2，在作业效率上是传统人工的40倍以上，且在使用无人喷洒雾滴沉积在分布的均匀度方面也要明显优于人工，这在一定程度上能够提高肥料的利用率，节省出了大量的生产成本，并且有效地杜绝了资源浪费。

3.3 田间病虫防治

采用无人机种植技术在作业过程中较为方便，且在施药中效率较高，对水、用药量的要求较低，对生产作物的伤害较小，能够很好地满足施药均匀性的要求。现在运用植保无人机在经历过改良之后能够对如紫云英、红萍、水浮莲等水田绿肥种植过程中的病虫进行有效的防治，在对提高实际的防治效果上还应该进一步进行探究。在此过程中，为深入了解带有导航的单翼无人机及无自动导航单旋翼无人机等多款田间管理无人机，在作业的过程中将绿肥作层雾积分布的情况，在此建议将无人机运用到油菜及蚕豆等绿肥作物的种植及田间病虫防治的工作中，针对各个机型在作物表层雾滴沉积的分布情况。通过有效的田间实验表明，具有自主导航性能的无人机在作业中，其对滴物的分布均匀要明显优于不具备自主导航的；单旋翼无人机喷洒滴物沉积的穿透性及喷洒的据运行要好于多旋翼。对于小叶片、低杆的水田绿植作物在种植管理过程中更适应于无人机进行植保。这种深层次的原因与无人机飞行过程中形成的风场有关系。在对低秆作物作业过程中，无人机旋翼所产生的下压风就能够轻易地将叶子翻面，对叶片的正反面都能够进行喷洒着药。同时，在此过程中添加合适的助剂与适当的用水能够有效地增强雾滴的穿透性，从而提高对病虫害的防治效果。

4.相关建议

在过去的很长一段时间里，我国的可耕地实际面积较差，环境污染问题较为严重，产品质量较低的问题也越发凸显。当前针对农业生产技术及方式正在发生着深刻的变化。在当前国家推进生态文明建设背景下，发展绿肥生产结构符合当前的发展规划。在过去的几年时间里，农用无人机在我国的实际发展运用中取得了良好的成效，尽管如此，在绿肥生产领域及其他的主粮作物方面想比较仍旧有着较大的差异。这也正是体现出了农用无人机技术在水田绿肥技术中有着良好的发展潜力。在之后发展水田绿肥无人机生产装备中，需要注意以下几项问题：

4.1 实行区域种植重点突破

我国当前率众种植品种较为繁多，且种植方式多种多样，但是相应的规模化种植少，且在分布区域上发展不均衡，对绿肥种植的带动性较差。采用无人机技术对水田绿肥生产领域的生产来说还是个新的产业，在实际工作过程中就需要更多的支持与宣传，首先就可以从典型的绿田水肥作物进行着手，在区域种植的选择中就可以选取典型的水田区域种植地区，有效的增大绿肥的种植面积。积极联合当地的地方政府与无人机研发企业，积极引纳农业技术相关人员，与合作社进行合作等方式，对无人机的农业生产引入进行大力地宣传推广，并依此形成一定的规模，扩大影响，早日解决农业生产中的各项难题。

4.2 加强水田绿肥生产关键环节无人机装备研究

在此项工作过程中要重点针对水田绿肥播种与生产环节中对无人机装备的研究，在播种的环节中，可以从精量播种及提高播种的均匀度方面进行考虑，以此研发出适应多种绿肥水田无人机。在对水田绿肥的管理环节中，要能够根据不同作物的生长期限，病害的不同情况等方面选择出适合的助品药剂，对无人机的类型及作物喷洒作业的参数等方面进行分析。

4.3 加强农用无人机研发及相关政策

在当前的水田绿肥生产环节下，要加强对农用无人及装备的技术研发的相关投入，对无人机的实际性能进行持续优化。当前无人机的飞行系统及平台在应用过程中已经有了相应的技术基础，但是在实际操作及生产作业效果上还存在一定的提升空间。在对农用无人机的政策方面，由于农用无人机在实际的应用中主要是在中、低空域进行作业。在此环节中建议要积极学习国外的经验，结合实际情况，制定出无人机操作人员的管理培训制度，健全当前无人机飞行从业人员的职业能力与相应的评价监管体系。同时政府要协调无人机研发公司与农业生产等多方面的社会生产力量，对行业发展采取明确的标准，以便能够积极促进我国的农业无人机的生产链及行业的健康发展，为我国现代化农业发展提供更多的政策上的保障。