水田綠肥無人機裝備技術研究與應用

邵海兵 蔡小榮

（1.江蘇省如東縣農機化技術推廣服務站，江蘇 南通 226400；2.如東縣農業機械化技術學校，江蘇 南通 226400）

本文重點對水田綠肥播種的管理方式這方面應用無人機技術展開探究，在播種的環節中介紹了多項的無人機播種裝置技術，并且對其工作原理及效果進行簡單分析；在田間的管理環節中對無人機應用于田間檢測、施肥及病蟲預防進行分析，對此提出相關的建議及對策。

我國地域廣袤，不同地域間的地形地貌及資源環境差異性較大，在種植過程中對各項的作業機具的要求也不盡相同。據相關統計，我國排水不暢的冷浸田占全國水稻種植區域的15.7%，沿海灘涂的總面積大220萬km2，這些區域都是水田綠肥耕作的潛在資源。此外在丘陵地帶，由于其地塊面積小、高差大，在耕作的過程中也難以實現大面積機器的作業。引用無人機技術，在操作過程中更加的靈活方便，不需要準備專門的機場，可以在田地間實現自由升降，也可以對既定的航線進行設定以此自動導航飛行，能夠對地面難以實現的區域進行有效的作業。將無人機引用到當前的農業種植領域中，能夠有效地提升生產種植的效率，提高現代化農業建設的水平。當前，農用無人機技術應用領域在作業的領域范圍較為廣泛，包含水稻、小麥等主要的糧食作物，以及葡萄、柑橘、茄子等蔬菜水果，在棉花、花生種植中取得了良好的防治效果，積累了相應的實踐經驗，但在當前農用無人機應用到綠肥作物促進生產還并未因其足夠的重視。

1.無人機技術的農業應用

在1917年，全世界范圍內的第一臺無人機問世，在其結構中為無線操縱的小型單翼型無人機，在此之后，無人機經歷了由一般到高端的變化階段，但在其主要的用途方面則主要局限于軍事領域。這種情況的轉變發生在1987年，由日本Yamaha公司推出的世界上第一架農用無人機，生產出了20kg的噴藥級無人機R-15。從此之后，無人機在農業領域的發展的優勢得到大幅度的認可。近幾年來，隨著科學技術的不斷創新發展，無人機在農業種植領域取得了突破性的進展。2014年美國《科技評論》雜志將農業無人機應用排在了“2014年十大最具突破性創新”之首。目前，在農用無人發展中主要是應用于病蟲防治、飛播（水稻等農作物種子以及樹木草種等）、授粉、濃情監測及災情探查等方面。

1.1 病蟲害防治

在無人機農業應用領域方面，針對病蟲害防治以美國為例，美國當前擁有者兩千多家的農業航空公司，且每年農業處理耕地面積達3400萬hm2這在美國的實際耕種面積中已經占到40%，在此過程中針對水稻種植無人機運用已經達到100%。日本在這二十幾年來的發展過程中，當前已經擁有著2400多架已經注冊的農業無人機，且能夠操作的專業人員就達14000多人，是當前世界上最大的無人機農藥噴灑國家。我國的農業無人機技術應用相對較晚，但在近幾年來的發展中，隨著科學技術投入力度的不斷增強植保無人機型逐漸增多，其實際的應用范圍也越來越廣，對于農業植保無人機的研究已經進入了新的階段，在當前國內植保民用無人機體量最大的便是DGI MG-1S無人機，此項機型最大飛行作業速度為8m/s-1在每次開展的作業之前，拿著遙控器經農田走上一圈，規劃好無人機的飛行航線，提前設置好噴灑的參數及作業方式，這樣上傳到植保的無人機就可以進行作業，一般情況下一天可以完成26.7hm2～33.3hm2作業。

1.2 飛播

運用無人機與人工的播種方式相比較，不僅在效率上有著大幅度的提高，而且在播種中更加的均勻。DroneSeed公司是美國無人機播種的品牌，該公司在核心領域方面在于其選址技術，無人機上邊的傳感器能夠將掃描地區的地址制作成三維立體模型，并且能夠在此基礎上選擇較為合適的區域開始種植，以其精確的選址來確保種子的成活率，在此之后可以運用壓縮空氣的方式將種子發射到土壤中，以此實現無人機播種。在當前國內，新疆天山羽人農業航空公司生產的3WDM8-20農用無人機在飛播水稻中，在相關人員的操作下，每分鐘能夠實現0.2hm2水稻等播種，有效地縮短了農時，提高了生產效率。

1.3 施肥

運用無人機施肥中，能夠將肥料均勻地噴灑，實際施肥效果非常明顯。在法國的葡萄莊園就經常性的采用無人機施肥技術，在日常作業過程中，果樹的葉片能夠正反面的有效施肥，以此能夠有效地節省出50%的農資投入量。運用無人機施肥則是實現了由傳統粗放式的施肥向著精準化施肥的轉變，不僅能夠有效地節省出了大量的化肥使用量，還能夠提高化肥使用率，與當前的綠色環保發展理念相符合。

1.4 授粉

2017年，日本的相關研究人員設計出了一種蜜蜂形狀的微型無人機，以此用來協助蜜蜂進行授粉，這種無人機大小約為5cm。研究人員在這款無人機的底部粘貼了一小塊動物的皮毛，在這上面涂上了一層離子液體凝膠的特殊性膠水，當無人機在經過人們有意識的操作中，飛到一片花朵上時，花粉等顆粒就能夠輕輕地站在凝膠上，在無人機再次飛到另一朵花上時，花朵的顆粒就會落下，運用膠水的粘性就能夠輕松地實現授粉、撒粉。

1.5 農情監測

運用無人機的遙感測繪、建模技術，配合當前互聯網應用，能夠構造出農田3D空間模型平臺，為植保人員提供農田的空間模型、作物信息、病蟲害的防治信息、位置關系，尤其是光照溫度、空氣濕度等外界環境數據，從而對農情進行有效的檢測。

2.水田無人機播種裝備研究

運用無人機播種技術能夠實現部分地區因為無法實現機械化種植問題，當前無人機的播種裝備主要有離心式、撥桿式及氣力式這三種結構形式，在水田綠肥無人機播種裝置中就可以借助以上這幾種結構進行綠肥種子的播種。

2.1 離心式無人機電動撒播裝置

目前，離心式無人及裝置主要分為離心圓管式及離心圓盤式，運用該種裝備在作業中較為方便，能夠有效地提高效率，周身采用碳纖維機身設計，在質量方面重約1.2kg，有效輸入電壓為3.0v～4.2v，播撒速度為4L/min-1，可達8L,能夠便捷的與多項無人機進行匹配，從而滲入到地面上機械難以到達的區域，能夠適應多種水田綠肥品種的種植作業。

此項播撒裝置適用于對均勻度要求不高的水田綠肥作物粗播，缺點為在落種區域為圓弧形，在同樣相鄰的兩種區域之間就很容易形成重播及漏播現象，播撒均勻度不高，且在作業過程中針對付款的調控較為困難。

2.2 撥桿式無人機 播撒裝置

撥桿式無人機播撒方式其應用原理為采用電磁感應定律，將電能轉換為機械能，引用高速電機帶動撥桿進行播種作業。撥桿式無人機在播撒結構方式上較為簡單，其缺點在于缺少定量的播種結構，對使用不同的綠肥種子的適應性程度不高。

2.3 氣力式無人機播撒裝置

氣力式無人機在結構上主要由風機、分流箱、排種槽輪及倒流通道組成。在工作運行中主要經過排種槽輪有效的調控種子的顆粒排量，由風機產生的高速氣流通過入風口將種子顆粒吹到倒流的通道排出，對于種子播撒過程中的播撒量及運動軌跡有著一定的人為可控性。運用氣力式無人機播撒裝置，能夠實現排量隨著無人機前進的速度變化而進行相應的調節，這種方式能夠有效地實現了播撒過程中的均勻性問題，但在其飛行高度、倒流通道錐角及氣流出口尺寸等方面還有待進一步進行優化。

3.無人機田間管理設備

在綠肥的生產過程中，要對田間的作物加強管理，這對提高鮮草產量及根系固氮效果有著重要的促進作用。目前，引用農業無人機技術在田間的管理工作中主要對農情監測、作物施肥、田間病蟲的妨害等方面的應用。

3.1 農情監測

在田間管理環節中，針對農情監測工作運用無人機同步搭載高清數碼攝像機、熱像儀、傳感器等相應設備，從而可以獲取到低空分辨率遙感數據，對這些數據進行軟件分析處理便可實現數據處理與解析，能夠有效地獲取到農作物的葉面積數值及其產量，冠層溫度等一些農情信息。運用該項技術能夠為探尋綠肥作物雨中及基因邊線管理規律提供幫助支持。

3.2 農田施肥

在水田綠肥生產過程中，不僅要對其進行有效的種植，還要在管理工作上做到悉心呵護，這樣才能夠有效地增加種植的產量。在豆科作物生產過程中如果缺少必要的氮肥將對降低其根系的固氮效應；油菜生長過程中對磷素、硼素的反應激烈，如果在其生長過程中缺啥相應的磷元素，則會出現減產的現象。使用無人機技術能夠對作物葉片的正反面噴施肥液，在此過程中就需要根據實際產量要求調配好肥料的濃度及酸度，同時根據天氣氣候等因素選擇出合適的噴灑時間。另外在噴灑肥料的過程中可以適當地添加一些助劑，以此提高肥液在植物葉片之上的粘附力，從而有效地促進植物對肥液進行吸收。與傳統的人工操作相比較，運用帶有導航的無人及操作技術，在工作過程中每小時的工作量可以達到4hm2，在作業效率上是傳統人工的40倍以上，且在使用無人噴灑霧滴沉積在分布的均勻度方面也要明顯優于人工，這在一定程度上能夠提高肥料的利用率，節省出了大量的生產成本，并且有效地杜絕了資源浪費。

3.3 田間病蟲防治

采用無人機種植技術在作業過程中較為方便，且在施藥中效率較高，對水、用藥量的要求較低，對生產作物的傷害較小，能夠很好地滿足施藥均勻性的要求。現在運用植保無人機在經歷過改良之后能夠對如紫云英、紅萍、水浮蓮等水田綠肥種植過程中的病蟲進行有效的防治，在對提高實際的防治效果上還應該進一步進行探究。在此過程中，為深入了解帶有導航的單翼無人機及無自動導航單旋翼無人機等多款田間管理無人機，在作業的過程中將綠肥作層霧積分布的情況，在此建議將無人機運用到油菜及蠶豆等綠肥作物的種植及田間病蟲防治的工作中，針對各個機型在作物表層霧滴沉積的分布情況。通過有效的田間實驗表明，具有自主導航性能的無人機在作業中，其對滴物的分布均勻要明顯優于不具備自主導航的；單旋翼無人機噴灑滴物沉積的穿透性及噴灑的據運行要好于多旋翼。對于小葉片、低桿的水田綠植作物在種植管理過程中更適應于無人機進行植保。這種深層次的原因與無人機飛行過程中形成的風場有關系。在對低稈作物作業過程中，無人機旋翼所產生的下壓風就能夠輕易地將葉子翻面，對葉片的正反面都能夠進行噴灑著藥。同時，在此過程中添加合適的助劑與適當的用水能夠有效地增強霧滴的穿透性，從而提高對病蟲害的防治效果。

4.相關建議

在過去的很長一段時間里，我國的可耕地實際面積較差，環境污染問題較為嚴重，產品質量較低的問題也越發凸顯。當前針對農業生產技術及方式正在發生著深刻的變化。在當前國家推進生態文明建設背景下，發展綠肥生產結構符合當前的發展規劃。在過去的幾年時間里，農用無人機在我國的實際發展運用中取得了良好的成效，盡管如此，在綠肥生產領域及其他的主糧作物方面想比較仍舊有著較大的差異。這也正是體現出了農用無人機技術在水田綠肥技術中有著良好的發展潛力。在之后發展水田綠肥無人機生產裝備中，需要注意以下幾項問題：

4.1 實行區域種植重點突破

我國當前率眾種植品種較為繁多，且種植方式多種多樣，但是相應的規模化種植少，且在分布區域上發展不均衡，對綠肥種植的帶動性較差。采用無人機技術對水田綠肥生產領域的生產來說還是個新的產業，在實際工作過程中就需要更多的支持與宣傳，首先就可以從典型的綠田水肥作物進行著手，在區域種植的選擇中就可以選取典型的水田區域種植地區，有效的增大綠肥的種植面積。積極聯合當地的地方政府與無人機研發企業，積極引納農業技術相關人員，與合作社進行合作等方式，對無人機的農業生產引入進行大力地宣傳推廣，并依此形成一定的規模，擴大影響，早日解決農業生產中的各項難題。

4.2 加強水田綠肥生產關鍵環節無人機裝備研究

在此項工作過程中要重點針對水田綠肥播種與生產環節中對無人機裝備的研究，在播種的環節中，可以從精量播種及提高播種的均勻度方面進行考慮，以此研發出適應多種綠肥水田無人機。在對水田綠肥的管理環節中，要能夠根據不同作物的生長期限，病害的不同情況等方面選擇出適合的助品藥劑，對無人機的類型及作物噴灑作業的參數等方面進行分析。

4.3 加強農用無人機研發及相關政策

在當前的水田綠肥生產環節下，要加強對農用無人及裝備的技術研發的相關投入，對無人機的實際性能進行持續優化。當前無人機的飛行系統及平臺在應用過程中已經有了相應的技術基礎，但是在實際操作及生產作業效果上還存在一定的提升空間。在對農用無人機的政策方面，由于農用無人機在實際的應用中主要是在中、低空域進行作業。在此環節中建議要積極學習國外的經驗，結合實際情況，制定出無人機操作人員的管理培訓制度，健全當前無人機飛行從業人員的職業能力與相應的評價監管體系。同時政府要協調無人機研發公司與農業生產等多方面的社會生產力量，對行業發展采取明確的標準，以便能夠積極促進我國的農業無人機的生產鏈及行業的健康發展，為我國現代化農業發展提供更多的政策上的保障。

5.結束語

以上對當前農用無人機應用技術及相應的成效進行簡單的闡述，具體在使用過程中要根據實際要求采取相應的機型，以便促進我國現代化農業技術創新取得長遠的發展。