采用無人機技術防治小麥病蟲害的分析

陳鴻雷

摘要：一直以來，化學防治方法在小麥病蟲害防治中都占據著重要地位，而化學農藥的高污染、高殘留、高度等問題也對農田生態平衡造成破壞，對自然環境造成危害。在小麥病蟲害防治過程中，由于受到人力、物力以及財力等方面的因素限制，很難使施藥手段在短時間內達到防治要求。因此，無人機技術應運而生，將其用于小麥病蟲害的防治，提高了噴藥效率、減少了勞動力，保障了小麥生產質量與產量。

關鍵詞：無人機技術;小麥;病蟲害;防治

小麥是我國重要的糧食作物，產業發展與我國糧食安全、社會穩定有直接關聯。因此，小麥的高質量、高產量生產一直以來都是糧食產業關注的焦點。小麥病蟲害是影響到小麥產量、品質以及生產成本的關鍵因素，近年來，小麥病蟲害的發生日益嚴重，尤其是穗期更見嚴重危害，產量也大幅跌落。文章就對無人機技術如今的應用現狀進行分析，進一步提出無人機技術在小麥病蟲害中的具體應用，以期獲得更好的病蟲害防治效果。

1 無人機防治小麥病蟲害的應用優勢及關鍵技術分析

1.1 農用無人機技術的應用優勢分析

1.1.1 減少藥物使用、節約水資源

無人機在執行作業時，采取的是噴灑方法，尤其是低空噴灑技術，可以節約50%的農藥量與90%的用水量，可以大幅減小資源成本的投入。

并且無人機作業時，飛行速度快、施藥時間縮短，有利于減小對大氣、對土壤和對農作物造成的進一步危害，尤其是基于北斗導航技術的無人機作業，能實現更精準且均勻地施藥，與當前的環保主題相符[1]。

1.1.2 作業執行高效且安全

農業作業中無人機技術的采取其工作效率要遠高于擔架式植保機的10倍，高于自走式植保機的2倍。同時，無人機技術也實現了人與藥的分離，基于地面遠程操控，噴灑作業人員遠距離操作即可，有效避免了受農藥的侵害。

1.1.3 防治方式科學、合理

無人機采用超低量噴霧噴灑方式，飛機旋翼產生的向下氣流有助于增加藥劑對農作物的穿透性，使用飛防助劑更可以減少藥劑揮發、增加藥劑附著等作用，顯著提升防治效果。對于人工難以進入的植保場景，如果樹等高稈作物，飛防作業更能發揮高空作業的優勢。

1.1.4 可以在夜間作業

在夏季高溫時節，中午溫度高，藥劑易蒸發，人員易中暑，植保作業的最佳時間主要靠早晨或傍晚。而無人機則可以依托規劃好的作業路線，在夜間也可以自動飛行作業，大大降低藥劑蒸發和人員中暑等發生，實現全天候飛防[2]。

1.2 無人機防治小麥病蟲害的關鍵技術

1.2.1 變量施藥

變量施藥一直以來都是無人機發展的主要技術之一，不同于傳統施藥技術，變量施藥可以實現根據病蟲害發生程度、作物疏密程度等的按需、適量給藥，一方面有利于解決農藥使用過量的問題，另一方面還有利于減小成本投入，總而提高應用效率。

在當前無人機技術中采用的變量施藥系統大都是基于脈寬調制技術實現，基于對占空比的改變對隔膜泵轉速進行控制，以此來調節藥物噴施量。另外也有基于Lab VIEW的地面站控制軟件在其中的應用，充分使用多傳感器融合技術來實時監測施藥參數，實現藥物施用流量和飛行速度的自動匹配[3]。

1.2.2 避障技術

采用無人機技術施藥時，因為大部分農田的四周環境都比較復雜，或有建筑物，或有電網、通信等設施，這些都會對無人機的安全作業造成隱患威脅，所以，關于無人機的實際應用也充分考量到了自主避障技術。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性，所以歸根結底，無人機的避障技術難點在于對障礙物的自主識別。

目前在現有的技術研究中，通過對農用無人機不同避障技術的適用性和主要避障傳感器的對比、分析，總結了如下幾個研究重點：多種避障技術的組合應用，實現避障技術的實時性和主動性，創建輔助避障的系統，規范制定避障流程標準等。

在現有技術當中，廣泛應用的一種技術是基于激光位移傳感器的避障技術，其關鍵技術包括：飛前的自檢、數據自動采集、有效數據塊的提取、障礙物基本參數的計算和障礙物模式識別等。通過室外飛行測試正式該技術能夠檢測到未知環境下的障礙物角度與距離，較準確地判斷植保作業環境中存在的典型障礙物，能夠在飛行過程當中實現動態避障，基本可以確定該技術應用的有效性與可行性[4]。

1.2.3 減漂技術

植保無人機噴霧施藥屬于一種低容量噴霧技術，和常規的地面噴霧技術相比，霧滴要更細，加之植保無人機開展噴霧作業時其噴頭距離作物的冠層較遠，不免有較大的霧滴漂移風險。對霧滴漂移的影響因素進行分析，采取的噴施技術、冠層的類型與高度、藥液的理化性質等等都是重要因子。針對于此，在目前的無人機技術中也采取了很多減漂手段，例如減漂噴頭、飛防助劑的使用、噴灑技術的優化、設置漂移緩沖區等等。

減漂噴頭可以通過對霧滴粒徑的大小控制來減少漂移，不僅如此，對噴頭類型、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。基于射流技術的減漂噴頭目前在無人機中也有廣泛應用，該技術是在噴頭的內部把空氣與藥液混合形成二相流、予以霧化成液滴進行噴灑使用。另外還要一種技術是基于無線傳感器網絡實現的，在這一農田無人機施藥架構中，傳感器把農藥的沉積信息傳輸到無人機控制系統中，系統便可以此作為參考、實時修正飛機的航線，確保噴灑的霧滴可以在最大限度上落到靶標區域范圍內，該技術應用效果雖突出，但有成本較高的缺點[5]。另外在實踐操作中，也有很多新的技術嘗試，例如：對農藥添加劑配方進行調整來改變農藥理化特征，減少漂移風險;或在施藥區域的四周設置漂移緩沖區，保護農田附近的水渠不會受到污染。

在現有的技術研究中，有關于霧滴沉降與漂移機理的探索，嘗試通過創建漂移模型來解決施藥時的漂移問題，其中取得最大成效的當屬Teske等創建的AGDISP模型，使用者能夠將噴頭、藥液、飛機類型和天氣因素等信息輸入其中，調用內部數據庫，對可能會產生的漂移進行預測。另外也有創建的霧滴漂移能量模型，該模型主旨是結合霧滴的運動速度與霧滴的粒徑來對霧滴漂移潛力加以預測，并且認為當相鄰的兩個噴頭噴霧扇面發生一定重疊時，可以加大霧滴的粒徑，使霧滴能動增加、漂移減小。

1.2.4 霧滴檢測技術

結合霧滴的沉積特性能夠對無人機噴灑質量進行直接評判，霧滴密度判定方法和50%有效沉積量判定方法便是當前被普遍使用的兩種評價方法。通過對比兩種方法在無人機技術中應用的有效噴幅情況發現，在實際應用當中，應根據植保無人機的噴施霧滴粒徑范圍來相應選擇適宜手段。其中霧滴密度評判方法在霧滴發生重疊時可能會有誤差產生，結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%有效沉積判定法來明確有效噴幅。由于完成這些工作的量大、效率又低，所以應力求突破準確獲得霧滴分布信息這一關鍵。

紅外熱成像技術的應用可以得到噴灑前后的環境熱差，據此對霧滴分布的范圍與濃度進行檢測，相較于水敏紙法，該技術能夠實時測量，突出有快速、無接觸的特點。基于激光雷達反射的原理來對霧滴分布進行測量可謂是一種新型手段，與傳統的人工測量相比較，這種新方法得到的測量結果誤差值更小，突出有精度高、掃描周期短的特點[6]。

2 無人機防治小麥病蟲害的應用實踐

無人機技術在農業領域的興起與應用正迎合了精準農業的理念，精準農業在施藥上主張按需用藥，在實際噴灑作業之前、結合實際區域獲得病蟲害處方圖亦是關鍵。無人機結合各種技術的應用能夠快速采集到作物的光譜數據，無論是對于病蟲害信息的采集還是防治都發揮著重要作用。

2.1 小麥全蝕病無人機遙感監測

技術關鍵在于：利用無人機遙感航拍技術來獲取小麥圖像，基于原始圖像的建立，根據顏色特征參數的差異性判斷出小麥受到全蝕病危害的病情等級。

其中涉及到關鍵技術的內容有如無人機遙感航拍技術，應有優勢體現在：因為小麥是大面積種植的作物，所以面臨著很重的數據采集任務，無人機遙感航拍技術在農業領域的應用為解決大面積麥田監測提供了很好的契機;它以無人機作為空中的監測平臺，搭載多種遙感設備進行信息的獲取，再將信息內容輸入到計算機中，對得到的信息按需處理，其中集成了多種先進技術，包括微波傳輸、計算機圖像處理和遙感技術等等;凸顯出有航拍影像分辨率高、機動高效、比例尺大等特點，因此可用于對小麥全蝕病樣本數據圖像的采集。

前文所述小麥全蝕病顏色特征，可以在危害等級分級中起到重要作用，具體原因為：小麥顏色會跟著植株體內色素的變化發生變化，對不同全蝕病危害等級下的小麥植株而言，在生理性病變之后，其葉內色素會體現出顯著差異，所以小麥全蝕病的顏色特征對于危害等級分級有重要指導[7]。

綜而，無人機遙感技術基于其相應迅速、操作簡單、性能靈活以及成本低等優勢，配套航拍技術可以獲得高質量小麥監測數據，可準確識別小麥全蝕病的不同病害等級分類，在應用上具有可行性與優越性。

2.2 基于近地高光譜與無人機圖像的小麥葉銹病遙感監測技術

傳統監測方法既費時、又費力，想要預防小麥病蟲害凸顯出主觀性、滯后性的缺點，而基于遙感監測技術則可以實現快速、無損的監測，可針對性防治小麥葉銹病的發生。基于近地高光譜與無人機圖像技術的構建主要內容為：（1）利用ASD地物光譜儀，對田間不同小區的光譜反射率進行測定，再經過一階微分的數據變換，得到冠層尺度葉銹病在不同DI之下的光譜響應特征，可知在發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算法監測小麥葉銹病的最佳時期[8]。通過研究認為，無人機平臺操作的快捷性、穩定性、靈活性以及數據存儲與提取的便利性，是基于無人機平臺的遙感監測手段更適宜于大面積病害快速監測的主要原因。

2.3 植保無人機對小麥蚜蟲與小麥葉蜂的防治

小麥蚜蟲與小麥葉蜂均是威脅到小麥的主要害蟲，使用無人機進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劑的情況下，借助植保無人機施藥能夠克服困難、更好地完成作業，達到防治效果。與背負式噴霧器相比，使用相同殺蟲劑的前提下，藥后7天內尚與無人機仿效相當;但在減少殺蟲劑使用量的情況下，在藥后第1天便會凸顯出顯著的效果差異。提示經無人機進行藥物噴施，速效性更佳。特別是如果施藥當日的風力較大，按傳統經驗來說這種情況不適宜噴藥，但無人機操控可以克服這一困難，也體現出無人機更好的適應性，可以在不同氣象條件下實現噴藥。

因此從防治效果上來說，無人機可以使用較背負式噴霧器耕地的藥量來獲得更好的防治要過，凸顯出減少用藥量的優點;從作業效率上來說，無人機作業效率較背負式噴霧器更高。

3 結論

總結上文，無人機技術在小麥病蟲害防治中的應用已經取得了顯著成效，但仍然有巨大的提升空間。這主要是由于目前環境與技術的限制，通過對當前農業現代環境的進一步深入分析，并探索更高效、完善的無人機技術，將會促使無人機技術更好地融入小麥病蟲害防治實踐中去，確切凸顯無人機的工作效果好、效率高、操作安全以及實用性強等優點。

參考文獻

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