游兆延，吳惠昌，高學(xué)梅，彭寶良，張沖，王申瑩

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)地形地貌、種植習(xí)慣差異較大，對(duì)作業(yè)機(jī)具的設(shè)計(jì)要求也需因地制宜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)泥腳深、排水不暢的冷浸田占全國(guó)稻田面積的15.07%，沿海灘涂總面積達(dá)220萬hm2，沼澤面積約1 100萬hm2。這些區(qū)域都是潛在的水田綠肥耕作資源[1-3]。另外，在丘陵地區(qū)，由于地塊面積小、高差大，大型地面機(jī)械也難以作業(yè)[4]。無人機(jī)是指無人駕駛的小型航空機(jī)具，其操縱靈活，無需專用機(jī)場(chǎng)，可在地頭靈活起降，也可以實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和自動(dòng)導(dǎo)航飛行，能在地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)無法企及的場(chǎng)所作業(yè)[5]。將無人機(jī)引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以大幅提升生產(chǎn)效率與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平[6-7]。目前，無人機(jī)裝備作業(yè)的對(duì)象覆蓋了很多農(nóng)作物，包括水稻、小麥等主要糧食作物，葡萄、柑橘、茄子等瓜果蔬菜，以及棉花、花生、油葵、巴旦木、茶園等各種經(jīng)濟(jì)作物，并且取得了理想的防治效果和防治經(jīng)驗(yàn)[8-9]；但無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到綠肥作物，尤其是運(yùn)用到水田綠肥生產(chǎn)仍鮮有報(bào)道。

1 無人機(jī)技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用

1917年，世界上第一臺(tái)無人機(jī)問世，這是一架由無線電操縱的小型單翼型無人機(jī)，之后，無人機(jī)經(jīng)歷了從普通到高端的階躍變化，但其用途仍主要集中在軍事方面[10]，直到1987年，世界上第一臺(tái)農(nóng)用無人機(jī)出現(xiàn)在日本，Yamaha公司生產(chǎn)出20 kg級(jí)噴藥無人機(jī)R-15。此后，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)上的作業(yè)優(yōu)勢(shì)逐漸得到認(rèn)可，近年來，農(nóng)用無人機(jī)的發(fā)展迎來黃金期。2014年，美國(guó)《科技評(píng)論》雜志將農(nóng)用無人機(jī)排在了“2014年十大最具突破性創(chuàng)新科技”之首。當(dāng)前，農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括病蟲害防治、飛播(水稻等農(nóng)作物種子，以及樹木和草種等)、施肥(顆粒肥、葉面肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等)、授粉、農(nóng)情監(jiān)測(cè)(農(nóng)田地貌、作物長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量評(píng)估)和災(zāi)情探查(植被、野生動(dòng)植物資源調(diào)查)等[11-16]。

1.1 病蟲害防治

在病蟲害防治方面，以美國(guó)為例，美國(guó)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)航空公司2 000多家，年處理耕地面積近3 400萬hm2，占美國(guó)年處理耕地面積的40%，其中，水稻種植施藥作業(yè)100%采用航空作業(yè)方式[17-18]。日本經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前擁有2 400多架已注冊(cè)農(nóng)用無人機(jī)，操作人員14 000多人，成為世界農(nóng)用無人機(jī)噴藥第一大國(guó)[19]。我國(guó)的農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)雖然起步較晚，但隨著科技投入不斷增強(qiáng)，農(nóng)用植保無人機(jī)機(jī)型越來越多，應(yīng)用范圍也越來越廣，農(nóng)用植保無人機(jī)的研究也步入了新的發(fā)展階段[20]，代表機(jī)型為目前國(guó)內(nèi)民用無人機(jī)體量最大的DGI MG-1S無人機(jī)，該機(jī)最大飛行作業(yè)速度為8 m·s-1，最大有效起飛質(zhì)量24.5 kg，每次作業(yè)前拿著遙控器繞著農(nóng)田走一圈，就能規(guī)劃好航線，設(shè)置好噴灑參數(shù)和作業(yè)模式，上傳到植保無人機(jī)就可以開始作業(yè)，一天能完成26.7～33.3 hm2作業(yè)。

1.2 飛播

無人機(jī)播種與人工播種相比，不僅效率高，而且播種更均勻。DroneSeed公司為美國(guó)農(nóng)用播種無人機(jī)品牌，該公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于其選址技術(shù)，無人機(jī)上的傳感器可以將掃描地區(qū)的地形制成三維(3D)模型，并選取其中適合種樹的區(qū)域，其無人機(jī)能夠以厘米為單位規(guī)劃出種植區(qū)域，通過精確選址來提高種子的成活率，之后可通過壓縮空氣將種子發(fā)射到土壤中，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)播種。在國(guó)內(nèi)，新疆天山羽人農(nóng)業(yè)航空公司生產(chǎn)的谷上飛3WDM8-20農(nóng)用無人機(jī)飛播水稻時(shí)，在飛手操控下，每分鐘可完成0.2 hm2稻田的播種，大大縮短了農(nóng)時(shí)，提高了效率。

1.3 施肥

無人機(jī)施肥噴灑均勻，施肥效果明顯。法國(guó)葡萄莊園常采用無人機(jī)施肥，作業(yè)過程中果樹葉片正反面均能有效施肥，并且能節(jié)省50%的農(nóng)資使用量。無人機(jī)施肥實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)粗放施肥向精準(zhǔn)施肥的轉(zhuǎn)變，在減少化肥用量的同時(shí)提高了化肥利用率，符合當(dāng)下化肥零增長(zhǎng)和綠色發(fā)展的理念。

1.4 授粉

2017年，日本研究人員設(shè)計(jì)出了一款蜜蜂形狀的微型無人機(jī)，協(xié)助蜜蜂進(jìn)行授粉作業(yè)，該無人機(jī)只有約5 cm大小。研究人員在無人機(jī)底部粘貼了一塊動(dòng)物毛皮，上面涂了一層名叫離子液體凝膠的特殊膠水，當(dāng)無人機(jī)飛到花上時(shí)，花粉顆粒就會(huì)輕輕地粘到凝膠上，然后當(dāng)無人機(jī)再次飛到另外的花上時(shí)，顆粒就會(huì)落下，利用膠水的黏性恰到好處地實(shí)現(xiàn)了取粉、撒粉。

1.5 農(nóng)情監(jiān)測(cè)

利用無人機(jī)遙感測(cè)繪，建模，配合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以構(gòu)造農(nóng)田3D空間模型平臺(tái)，為植保人員提供農(nóng)田空間模型、作物信息、病蟲害信息、位置關(guān)系，甚至是溫度、濕度、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)情的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

2 水田綠肥無人機(jī)裝備研究

綠肥生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)因綠肥品種、種植區(qū)域、利用方式的不同而有所區(qū)別，總體來說主要包括播種、開溝、田間管理(農(nóng)情監(jiān)測(cè)、施肥、病蟲害防治等)、翻壓、種子收獲、種子加工、種子倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)節(jié)。當(dāng)前，綠肥產(chǎn)業(yè)亟須突破一批輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)共性關(guān)鍵技術(shù)，以保證綠肥種植利用的輕簡(jiǎn)、高效。無人機(jī)在水田綠肥的應(yīng)用符合這一發(fā)展需求。目前，無人機(jī)主要應(yīng)用于水田綠肥生產(chǎn)的播種和田間管理環(huán)節(jié)。

2.1 無人機(jī)播種裝備研究

無人機(jī)撒播可以有效解決部分地區(qū)的機(jī)械化問題。目前，無人機(jī)播種裝備主要有離心式、撥桿式和氣力式這3種結(jié)構(gòu)形式，水田綠肥無人機(jī)播種裝置可以借鑒上述幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行綠肥種子的撒播作業(yè)。

2.1.1 離心式無人機(jī)紫云英電動(dòng)撒播裝置

離心式無人機(jī)電動(dòng)撒播裝置主要分為離心圓管式和離心圓盤式。圖1所示為離心圓管式無人機(jī)紫云英電動(dòng)撒播裝置，該裝置作業(yè)方便，效率高，采用碳纖維機(jī)身設(shè)計(jì)，撒播裝置重1.2 kg，輸入電壓3.0～4.2 V，撒播速度4 L·min-1，容量8 L，撒播幅寬12～23 m，旋轉(zhuǎn)速度625 r·min-1，可以便捷匹配多種形式的無人機(jī)，深入地面機(jī)械難以到達(dá)的地方，適應(yīng)多種水田綠肥品種的撒播作業(yè)。

圖1 離心圓管式無人機(jī)撒播裝置

圖2為離心圓盤式無人機(jī)紫云英電動(dòng)撒播裝置，主要由種箱、雙攪龍異向排種機(jī)構(gòu)、圓盤等組成，攪龍和甩盤均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步控制。該機(jī)適合搭載于多種無人機(jī)上，適用于紫云英等多種顆粒狀綠肥種子的播撒作業(yè)，操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)效率較高。但在實(shí)際作業(yè)時(shí)，甩盤轉(zhuǎn)速對(duì)作業(yè)幅寬和播種均勻性的影響，以及無人機(jī)飛行速度與攪龍排種機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的協(xié)作控制關(guān)系等仍有待進(jìn)一步研究。

1，種箱；2，雙攪龍異向排種機(jī)構(gòu)；3，圓盤圖2 離心圓盤式無人機(jī)撒播裝置

離心式無人機(jī)電動(dòng)撒播裝置適用于均勻度要求不高的水田綠肥作物粗播，缺點(diǎn)是離心甩盤式、離心圓管式落種區(qū)均為圓弧區(qū)，相鄰的兩個(gè)落種區(qū)之間很容易產(chǎn)生重播和漏播，均勻性不好，且作業(yè)幅寬方向調(diào)控比較困難。

2.1.2 撥桿式無人機(jī)撒播裝置

撥桿式無人機(jī)撒播裝置如圖3所示。其原理為利用電磁感應(yīng)定律將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，由高速電機(jī)帶動(dòng)撥桿進(jìn)行播種作業(yè)。作業(yè)飛行速度5～8 m·s-1，載重量10～15 kg，單次飛行時(shí)間18 min，定位水平誤差0.5 m，垂直誤差1 m。撥桿式無人機(jī)撒播裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但缺少定量播種結(jié)構(gòu)，對(duì)不同綠肥種子排種適應(yīng)性程度也不高。

圖3 撥桿式無人機(jī)撒播裝置

2.1.3 氣力式無人機(jī)撒播裝置

氣力式無人機(jī)撒播裝置如圖4所示，主要由風(fēng)機(jī)、分流箱、排種槽輪和導(dǎo)流通道組成[21]。工作時(shí)利用排種槽輪調(diào)控種子顆粒的排量，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流經(jīng)由入風(fēng)口將落種口的種子顆粒吹入導(dǎo)流通道排出，種子顆粒的撒播量和運(yùn)動(dòng)軌跡有較強(qiáng)的可控性。氣力式無人機(jī)撒播裝置可實(shí)現(xiàn)排量隨無人機(jī)前進(jìn)速度的變化而調(diào)節(jié)，提高了無人機(jī)撒播作業(yè)的均勻性，但氣力式無人機(jī)撒播裝置飛行高度、導(dǎo)流通道錐角、分流箱氣流出口尺寸等對(duì)撒播幅寬和撒播均勻性的影響還有待進(jìn)一步優(yōu)化研究。

1，風(fēng)機(jī)；2，分流箱；3，導(dǎo)流通道；4，排種槽輪圖4 氣力式無人機(jī)撒播裝置

2.2 無人機(jī)田間管理裝備

在綠肥生產(chǎn)過程中，加強(qiáng)綠肥作物田間管理，對(duì)提高鮮草產(chǎn)量和根系固氮效果有著直接的促進(jìn)作用。當(dāng)前，綠肥無人機(jī)在田間管理環(huán)節(jié)主要可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)情監(jiān)測(cè)、施肥、田間病蟲害防治等應(yīng)用。

2.2.1 田間農(nóng)情監(jiān)測(cè)

利用無人機(jī)裝備同步搭載高清數(shù)碼相機(jī)、多光譜儀、熱像儀、傳感器等專業(yè)遙感器，獲取低空分辨率遙感數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與解析，獲取作物葉面積指數(shù)、產(chǎn)量及冠層溫度等農(nóng)情信息。該應(yīng)用還可為探索綠肥作物育種基因型與表型關(guān)聯(lián)規(guī)律提供輔助支持。

2.2.2 田間施肥

綠肥既種又管，才能肥田增產(chǎn)。紫云英等豆科作物生長(zhǎng)缺少氮肥時(shí)會(huì)降低根系固氮效應(yīng)；油菜對(duì)磷素、硼素等反應(yīng)敏感，缺磷減產(chǎn)嚴(yán)重[22]。使用無人機(jī)，可以方便地對(duì)作物進(jìn)行葉面肥噴施。在使用無人機(jī)給葉面噴施肥液時(shí)，要注意調(diào)配好肥料濃度、酸度，選擇合適的噴灑時(shí)間，另外可適當(dāng)添加助劑以提高肥液在植物葉片上的黏附力，促進(jìn)肥料的吸收。相比傳統(tǒng)人工操作，采用帶導(dǎo)航的無人機(jī)施肥，每小時(shí)作業(yè)量可達(dá)4 hm2，作業(yè)效率是人工噴灑的40倍以上，且無人機(jī)噴灑霧滴沉積分布的均勻性也優(yōu)于人工，有利于提高肥料利用率，減少資源浪費(fèi)。

2.2.3 田間病蟲害防治

無人機(jī)作業(yè)方便，施藥效率高，用水、用藥量少，且對(duì)作物損傷小，能夠滿足施藥均勻性要求?，F(xiàn)有植保無人機(jī)經(jīng)適應(yīng)性改進(jìn)后可應(yīng)用于紫云英、紅萍、水浮蓮等水田綠肥的病蟲害防治，但在提高綠肥作物田間植保防治效果方面還須開展進(jìn)一步研究。同時(shí)，為深入了解帶導(dǎo)航單旋翼無人機(jī)、無自主導(dǎo)航單旋翼無人機(jī)、帶導(dǎo)航多旋翼無人機(jī)等多款田間管理無人機(jī)作業(yè)時(shí)綠肥作物表層霧滴沉積分布的情況，建議將無人機(jī)運(yùn)用到油菜、蠶豆等綠肥作物田間病蟲害防治作業(yè)中，比較各機(jī)型在作物表層霧滴沉積分布的作業(yè)效果。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明：有自主導(dǎo)航的無人機(jī)作業(yè)時(shí)，霧滴的分布均勻性要優(yōu)于無自主導(dǎo)航的；單旋翼無人機(jī)噴灑霧滴沉積的穿透性、均勻性要優(yōu)于多旋翼。小葉片、低稈的水田綠肥作物更適合無人機(jī)植保。這與無人機(jī)飛行時(shí)形成的風(fēng)場(chǎng)有關(guān)：低稈作物無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下壓風(fēng)能輕松使葉子翻面，正反面均能著藥。另外，合適的助劑和適當(dāng)加大用水量也可以增加霧滴穿透性，提高病害防治效果。

3 建議

過去的一段時(shí)期，我國(guó)耕地質(zhì)量較差、面源污染較重、產(chǎn)品質(zhì)量較低等問題日益突顯。當(dāng)下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正在發(fā)生深刻變革，在國(guó)家推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，發(fā)展綠肥符合農(nóng)業(yè)調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式要求。過去幾年，農(nóng)用無人機(jī)在我國(guó)得到了快速發(fā)展，但其在綠肥生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用與其他主糧作物相比仍有較大差距，但也展現(xiàn)了農(nóng)用無人機(jī)在水田綠肥生長(zhǎng)應(yīng)用上的發(fā)展?jié)摿?。今后，在發(fā)展水田綠肥無人機(jī)裝備時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

3.1 重點(diǎn)突破典型區(qū)域、典型水田綠肥作物的無人機(jī)作業(yè)問題

我國(guó)綠肥品種繁多，種植模式多樣，規(guī)?；N植少，區(qū)域分布不均衡，綠肥種植的帶動(dòng)性不強(qiáng)。無人機(jī)技術(shù)運(yùn)用到水田綠肥生產(chǎn)領(lǐng)域還是個(gè)新產(chǎn)業(yè)，需更多的支持和宣傳，可從典型的水田綠肥作物入手，選取若干典型的水田區(qū)域示范縣，擴(kuò)大綠肥種植面積，聯(lián)合地方政府、無人機(jī)企業(yè)、農(nóng)技人員、合作社等開展無人機(jī)的推廣演示，形成規(guī)模并擴(kuò)大影響，以早日解決冷浸田、沼澤、沿海灘涂、丘陵等地的綠肥生產(chǎn)機(jī)械化問題。

3.2 加強(qiáng)水田綠肥生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)無人機(jī)裝備研究

重點(diǎn)突破水田綠肥播種和田間管理環(huán)節(jié)無人機(jī)裝備技術(shù)的研究。水田綠肥播種環(huán)節(jié)，可從精量播種、提高播種均勻性兩方面考慮，研發(fā)適應(yīng)多品種水田綠肥的播種無人機(jī)。水田綠肥田間管理環(huán)節(jié)，可針對(duì)不同作物生育期、不同病蟲害，選擇合適的助劑、藥劑、無人機(jī)類型及合理的噴灑作業(yè)參數(shù)組合。

3.3 加強(qiáng)農(nóng)用無人機(jī)研發(fā)和相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)研究

加強(qiáng)農(nóng)用無人機(jī)裝備技術(shù)研發(fā)投入，提升無人機(jī)性能。無人機(jī)的飛行系統(tǒng)及平臺(tái)已有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但其在操縱領(lǐng)域和實(shí)際作業(yè)效果上還有很多提升空間。在政策方面，由于農(nóng)用無人機(jī)主要在中、低空空域作業(yè)，建議積極吸取國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，加快建立農(nóng)用無人機(jī)飛行的指導(dǎo)性法規(guī)，制訂無人機(jī)操作人員培訓(xùn)制度，健全無人機(jī)飛行從業(yè)人員的職業(yè)能力評(píng)價(jià)體系和監(jiān)管體制機(jī)制。建議政府協(xié)調(diào)無人機(jī)公司及合作社等多方力量，明確行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈和無人機(jī)行業(yè)的健康、快速發(fā)展。