精準農業航空技術現狀及未來展望

1 引言

在農業生產中，提高產量是人類的主要目的，而農藥的發明和使用則是關鍵手段[1]。但是，隨著現代生活質量的提高，農藥對環境污染和農作物殘留的影響成為人們所密切關注的問題。我國每年使用農藥制劑達130萬噸，單位面積農藥使用量是世界平均水平的2.5倍，受污染的耕地面積達1.5億畝，約占可耕地面積的1/10，其中很大部分源于農藥化肥的不合理施用[2-3]。2015年中央一號文件要求加強農業面源污染治理，大力推廣低毒低殘留農藥，農業部也已通過化肥農藥減施行動方案，提出到2020年化肥農藥使用量實現零增長。而近年來，我國精準農業航空發展迅速，受到植保界的特別重視，是減少農藥用量，降低農藥殘留，提升農藥防效的有力手段。

精準農業航空技術主要是指利用各種技術和信息工具來實現農業航空作業生產率的最大化，是精準農業技術在農業航空領域的應用，主要包括全球定位系統、地理信息系統、土壤地圖、產量監測、養分管理地圖、航拍、變量控制器及地面驗證等精準農業技術。機載遙感系統可以產生精確的空間圖像來分析農田植物的水分、營養狀況，病蟲害的狀況；空間統計學可以結合數據更好地分析空間圖像，通過圖像處理將遙感數據轉換成處方圖；變量噴施系統根據已給出的作物處方圖及航空噴施霧滴沉積模型控制噴施過程中的施藥量；精準導航系統根據需作業區域地圖規劃出施藥作業的航路圖，并準確地使飛機沿著規定路線施藥，有效避免重噴和漏噴；地面驗證技術可以通過地面的霧滴沉積結果來為航空噴施作業的決策進行設計和指導；通過以上技術及設備的結合使用來實現對農田作物的變量、精準噴施的目的[4]。因此，本文通過對我國精準農業航空技術發展現狀進行概括和總結，并預測了精準農業航空技術的發展趨勢，指出了精準農業航空技術的未來發展方向，以期為國內科研機構和企業的科學研究及應用提供參考，加快我國精準農業航空的發展進程。

2 精準農業航空發展現狀

2.1 遙感技術

農田作物信息的快速獲取與解析是開展精準農業實踐的前提和基礎，是突破制約中國精準農業應用發展瓶頸的關鍵[5]。隨著人口的不斷增長和農業生產增加的需求，迫切需要改進農業資源管理。遙感技術可通過全球定位系統和地理信息系統來提高農作物病蟲害管理精度，幫組農民獲取最大的經濟和環境效益。近年來，農業遙感技術發展迅速，已成為精準農業中一個重要的發展方向。目前，遙感主要可分為衛星遙感、有人機遙感和無人機遙感。

競霞等[6]利用PLS 算法和高分辨率IKONOS衛星影像實現了棉花黃萎病病情嚴重的遙感監測，篩選出了棉花黃萎病病情嚴重度遙感估測的敏感因子，研究結果對實現大范圍農作物病蟲害的遙感監測具有重要的參考價值。張競成等[7]采用環境星影像數據反演的各種植被指數，地表溫度及作物干旱指數，通過logistic回歸方法構建了小麥白粉病的發生預測模型。馬慧琴等[8]采用不同的特征選擇算法分別用篩選出的landsat8遙感數據、氣象數據特征及2種數據特征相結合的方式構建了小麥灌漿期白粉病的發生預測模型，并對多種不同數據模型進行了驗證與評估，結果結果進一步提高了作物病蟲害發生的預測精度及可為其他作物病害遙感監測提供方法參考。鮑艷松等[9]以航空影像、地面冠層光譜數據及同步觀測的植被生化數據為基礎，探討了冬小麥冠層氮素監測的遙感方法，并生成了基于航空高光譜OMIS影像數據的變量施肥處方圖。汪沛等[10]通過對有人機搭載雙目多光譜圖像采集系統獲取的水稻遙感圖像進行光譜校正，從而提高在陰影條件下水稻氮素水平檢測的精度。

無人機遙感技術具有平臺構建容易、運行和維護成本低、體積小、質量輕、操作簡單、靈活性高、作業周期短等特點。無人機遙感技術的發展，大大地擴展了以航天、航空遙感為主的農業遙感的應用范圍，完善地面作物監測體系，特別對于中小尺度的農業遙感應用能夠發揮更大的作用。喬紅波等[11]采用手持式高光譜儀和低空遙感系統對不同危害程度小麥白粉病冠層光譜反射率進行了測定，通過線性回歸分析建立了低空遙感平臺光譜信息與作物生長狀況指標的相關關系，結果表明低空遙感系統可以無損、快速、大面積地對小麥白粉病進行監測。李冰等[12]設計了一種低空無人直升機搭載美國Tetracam公司的ADC 多光譜相機系統對冬小麥不同生育期進行監測，研究結果表明利用植被指數閾值法獲取的SAVI（土壤調整植被指數）閾值能夠為大面積監測農作物的覆蓋度和生長狀況提供一種可行的手段。田振坤等[13]以冬小麥為研究對象，分析了無人機低空航飛獲得的高空間分辨率農作物遙感影像特征，結果表明該方法從無人機高分辨率影像中提取不同種類的農作物分類信息具有較高的正確率和普適性，兼具快速和低成本的特點，在海量農作物無人機航拍數據的信息提取上具有較廣的應用。

2.2 施藥技術

農業航空施藥作業是農業航空服務最主要的作業項目，由于其噴施作業具有作業效率高、作業速度快、突擊能力強、應對突發性爆發性病蟲害的防控效果好等特點，可解決水稻生長過程中地面機械難以下田作業的問題。此外，航空施藥作業還有勞動用工少、綜合作業成本低、不會留下轍印和損壞作物、不破壞土壤物理結構等優點，深受農場主和種植大戶的歡迎和喜愛[14]，航空施藥技術因此在農業生產中得到廣泛的應用和推廣。其中，航空施藥技術主要可分為有人駕駛飛機航空施藥技術及無人駕駛飛機航空施藥技術。

在有人駕駛飛機施藥方面，蘭玉彬等[15]通過Air Tractor 402B農用飛機對添加了4種不同農藥助劑的藥液進行噴施試驗，結果發現霧滴沉積量、霧滴粒徑、霧滴密度等參數與農藥助劑和飄移距離成高度相關性。張瑞瑞等[16]設計了一種用于有人直升機的變量施藥控制系統并進行了相應試驗，結果表明當直升機飛行速度小于160km/h時，實際施藥量與設定施藥量之間的誤差保持在10%以內，有效解決了有人直升機無差別施藥造成的農藥浪費，提高了農藥的有效利用率。王國賓等[17]研究測定了羅賓遜R-44直升飛機與貝爾206直升飛機飛行高度和噴頭配置對農藥霧滴在水稻田沉積分布以及對稻瘟病防治效果的影響。張東彥等[18]對M-18B型、Thrush 510G 型飛機在不同環境參數（風速、溫度、濕度）、噴嘴角度條件下的有效噴幅寬度進行了評定，對不同飛機噴施作業的霧滴沉積分布特性進行了分析和比較，并首次形成了施藥效果測試報告。上述已開展的探索研究大大促進了有人駕駛飛機航空施藥技術的快速提升和廣泛推廣。endprint

在無人駕駛飛機施藥方面，邱白晶等[19]通過采用二因素三水平試驗方法研究了CD-10型無人直升機噴霧沉積濃度、沉積均勻性與飛機飛行高度、飛行速度及兩因素間的交互作用的關系，并建立了相應的關系模型；秦維彩等[20]通過改變N-3型無人直升機的作業高度和噴灑幅度對玉米進行噴施試驗，研究了噴灑參數對玉米冠層的霧滴沉積分布的影響，獲得了不同作業高度和噴幅下無人機噴霧在玉米冠層中的霧滴沉積量和沉積密度。陳盛德等[14]研究了HY-B-10L型單旋翼電動無人直升機在不同作業參數下對雜交水稻植株冠層噴施作業的霧滴沉積分布效果，并根據霧滴沉積結果和外界環境參數對霧滴沉積分布規律的影響進行了分析。同時，在無人機作業參數優化方面，多種類型的無人機根據不同作業參數下的霧滴沉積結果對作業參數進行了優化和篩選[14，20-23]，如表1所示。上述已開展的探索與研究結果為有效應用小型無人機開展航空施藥作業提供了極大的參考價值。

另外，為加快推進無人機航空施藥應用技術的研究與推廣，華南農業大學精準農業航空團隊先后在云南、湖南、新疆、河南等多地開展橙樹、水稻、棉花、小麥等多種作物的無人機航空施藥技術應用研究。2016年，河南全豐航空科技有限公司和華南農業大學組織40多家農業無人機企業成立了國家航空植保科技創新聯盟，這是正式開啟中國農用無人機航空施藥技術應用發展的里程碑。聯盟于2016年5月、2016年7月和9月先后組織多家單位分別在河南和新疆等地開展小麥蚜蟲防治和噴施棉花脫葉劑的測試作業，加快了無人機航空施藥技術的應用和推廣。2016年8月，陜西省30萬畝玉米粘蟲病害大爆發，聯盟組織多家聯盟成員、調動100余架無人機開展緊急防治救災工作。此次救災是國內農用無人機航空施藥作業的首次協同作戰，標志著應用農用無人機進行大規模病蟲害防治進入新的篇章。

3 結語及展望

隨著精準農業技術的不斷進步，以及對糧食安全和生態安全要求的提高，精準農業航空技術被越來越多的人所熟知。同時，由于精準農業航空的作業特點，圖像實時處理技術、變量噴施技術、數據融合技術、高精度RTK定位技術、多機協同作業技術及無人機噴施配套技術必將成為未來的研究方向和研究重點，為精準農業航空技術的應用和發展提供有力的保障。

精準農業航空產業的發展是中國農業現代化建設的重要組成部分，隨著相關制度及配套核心技術的不斷完善，中國精準農業航空產業必將得到健康、有序和高速發展，有利于指導人們更加合理地使用化肥農藥和實現農業病蟲害統防統治，實現精準作業，從而滿足人們對生態環境的要求，極大地提速中國現代農業的進程。

【參考文獻】

[1] Lan， Yubin， Chen Shengde， Fritz B K， Current status and future trends of precision agricultural aviation technologies[J]. Int J Agric & Biol Eng， 2017. 10（3）： 1-17.

[2] 袁會珠， 楊代斌， 閆曉靜，等. 農藥有效利用率與噴霧技術優化[J]. 植物保護， 2011， 37（5）：14-20.

[3] 中華人民共和國國土資源部，中華人民共和國環境保護部，全國土壤污染狀況調查公報，2014.

[4] Lan Y B， Thomson S J， Huang Y B， et al. Current status and future directions of precision aerial application for site-specific crop management in the USA[J]. Computers & Electronics in Agriculture， 2010； 74（1）： 34–38.

[5] 汪沛， 羅錫文， 周志艷，等. 基于微小型無人機的遙感信息獲取關鍵技術綜述[J]. 農業工程學報， 2014， 30（18）：1-12.

[6] 競霞， 黃文江， 琚存勇，等. 基于PLS算法的棉花黃萎病高空間分辨率遙感監測[J]. 農業工程學報， 2010， 26（8）：229-235.

[7] Zhang Jingcheng， Pu Ruiliang， Yuan Lin， et al. Integrating remotely sensed and meteorological observations to forecast wheat powdery mildew at a regional scale. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing， 2014， 7（11）： 4328-4339.

[8] 馬慧琴， 黃文江， 景元書，等. 基于AdaBoost模型和mRMR算法的小麥白粉病遙感監測[J]. 農業工程學報， 2017， 33（5）：162-169.

[9] 鮑艷松， 王紀華， 劉良云，等. 不同尺度冬小麥氮素遙感監測方法及其應用研究[J]. 農業工程學報， 2007， 23（2）：139-144.

[10] 汪沛， 張俊雄， 蘭玉彬，等. 多光譜低空遙感圖像光照輻射度校正[J]. 農業工程學報， 2014， 30（19）：199-206.

[11] Qiao Hongbo， Zhou Yilin， Bai Youlu， et al. The primary research of detecting wheat powdery mildew using in-field and low altitude remote sensing[J]. Acta Phytophylacia Sinica， 2006， 33（4）： 341-344.endprint

[12] 李冰， 劉镕源， 劉素紅，等. 基于低空無人機遙感的冬小麥覆蓋度變化監測[J]. 農業工程學報， 2012， 28（13）：160-165.

[13] 田振坤， 傅鶯鶯， 劉素紅，等. 基于無人機低空遙感的農作物快速分類方法[J]. 農業工程學報， 2013， 29（7）：109-116.

[14] 陳盛德， 蘭玉彬， 李繼宇，等. 小型無人直升機噴霧參數對雜交水稻冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 農業工程學報， 2016， 32（17）：40-46.

[15] Lan Yubin， W C Hoffmann， B K Fritz， D E Martin， J D J Lopez. Spray drift mitigation with spray mix adjuvants [J]. Applied Engineering in Agriculture， 2008， 24（1）： 5-10.

[16] 張瑞瑞， 李楊， 伊銅川，等. 有人直升機變量施藥控制系統的設計與試驗[J]. 農機化研究， 2017， 39（10）：124-127.

[17] 王國賓， 李學輝， 任文藝，等. 兩種大型直升飛機在水稻田噴霧質量檢測及對稻瘟病的防效觀察[J]. 中國植保導刊， 2014（s1）：6-11.

[18] Zhang Dongyan， Chen Liping， Zhang Ruirui， Xu Gang， Lan Yubin， W C Hoffmann， Wang Xiu， Xu Min. Evaluating effective swath width and droplet distribution of aerial spraying systems on M-18B and Thrush 510G airplanes. Int J Agric & Biol Eng， 2015， 8（2）： 21-30.

[19] 邱白晶， 王立偉， 蔡東林，等. 無人直升機飛行高度與速度對噴霧沉積分布的影響[J]. 農業工程學報， 2013， 29（24）：25-32.

[20] 秦維彩， 薛新宇， 周立新，等. 無人直升機噴霧參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 農業工程學報， 2014， 30（5）：50-56.

[21] 張京， 何雄奎， 宋堅利，等. 無人駕駛直升機航空噴霧參數對霧滴沉積的影響[J]. 農業機械學報， 2012， 43（12）：94-96.

[22] 秦維彩， 薛新宇， 張宋超，等. 基于響應面法的P20型多旋翼無人機施藥參數優化與試驗[J]. 江蘇大學學報（自然科學版）， 2016， 37（5）：548-555.

[23] Zhang P， Deng L， Lv Q， He S， Yi S， Liu Y， et al. Effects of citrus tree-shape and spraying height of small unmanned aerial vehicle on droplet distribution. Int J Agric & Biol Eng， 2017； 33（1）： 117–123.endprint