農用無人機技術在江漢平原農業領域的應用

陳 曦 高旭園 何 潔 陳 偉 趙希梅 鄒家龍 李燕麗盧碧林 李繼福

（1 長江大學農學院，湖北荊州 434025；2 荊州市荊州區農業科技服務中心，湖北荊州 434020）

中小型無人直升機服務農業生產興起于日本，在歐美國家大型農牧場得到了快速發展， 主要用于農藥噴灑等作業。因此，無人直升機也被稱為植保無人機[1-2]。 2016 年，消費級電動無人機的研制和出現，極大地推動了我國農作物病蟲害防治機械化進程。植保無人機作為新型農業機具， 逐漸成為農業生產領域的基本配置。 近3 年來，人工智能、深度學習和信息技術[3]等與無人機技術充分結合，共同促進了航空植保無人機技術的發展[4-5]。目前，植保無人機在作物遙感監測、長勢監測與估產、作物病蟲害防治方面有著廣泛的應用[6-8]，在畜禽監管、播種授粉、農業灌溉和養殖投料等方面也逐步得到推廣[9-11]。 植保無人機的應用范圍已發生較大變化， 應當被重新定義為“農用無人機”[11-14]。農用無人機根據載重量和飛行原理分為大、中、小3 種型號，中小型農用無人機適用于田塊相對較小的南方地區， 大型無人機適用于北方大塊平原和丘陵果園。通常，無人機在飛抵預定區域后的首要任務是采集目標信息，即可完成測繪、估產和監測等無特定作業的任務， 如攜帶相應配套設備，可完成噴藥、施肥和播種等特定作業任務。 隨著農村勞動力轉移和土地流轉推進， 新型農用無人機載荷大、成本低和效率高的性能優勢凸顯，受到種植大戶和合作社的歡迎，具有很好的發展潛力[15]。

江漢平原地處長江中游， 面積約4.6 萬km2，主要包括荊州、仙桃、潛江、天門及周邊部分縣、市、區。該地區屬亞熱帶季風氣候區，雨熱同期，地勢平坦，是湖北省主要的糧棉油和漁業生產基地。 農用無人機在江漢平原地區水稻、小麥和油菜等大田作物上的噴藥作業已經普及，在水稻、油菜生產上的飛播和施肥方面發展迅速， 逐漸替代作物移栽方式和人工撒施追肥[16-17]。 此外，隨著沿江地區稻蝦輪作面積的持續增加， 農戶已經開始使用無人機進行稻田飼養小龍蝦的投料作業， 以降低人工成本和減輕勞動強度[18]。 本文通過實地調研、資料分析和野外試驗等多種方式， 對江漢平原各地區的農用無人機使用狀況進行分析， 總結當前江漢平原中小型農用無人機在種植業和養殖業上的應用現狀和問題， 以期為農用無人機技術在種養殖業上的進一步發展提供參考。

1 農用無人機技術在農情監測上的應用

遙感技術的快速發展和遙感數據源的日益增多， 為快速獲取作物葉面積指數和地上部生物量提供了有效手段[4，19]。 農業生產具有較強的地域性和季節性特征，果園地點偏僻、地形復雜、樹木高大且互相遮蔽[20]；農田交錯相連，作物種類繁多，被村莊或道路分割。 因此，常用的衛星遙感數據往往受天氣、軌道周期、分辨率、環境和云層的干擾而達不到精度要求。農用無人機成像技術作為低空遙感技術之一，對于近地面尺度獲取作物長勢信息具有重要應用價值，其時效性、操作性更強，可有效彌補衛星遙感在精準農業應用空間和時間分辨率上的不足，成為獲取農林業遙感數據的重要組成工具。 搭載于無人機平臺的遙感設備或者傳感器主要有光學數碼相機、多光譜相機和高光譜成像儀。與普通數碼相機和多光譜相機比較，高光譜成像儀的波段更多、光譜分辨率更高，在捕捉地面細微特征信息方面具有獨特優勢[21]。

農用無人機利用光譜遙感成像獲得含水量、葉綠素含量、葉面積指數、生長量等作物農業參數，根據參數與作物長勢、養分含量和產量之間的模型監測作物長勢、預測作物產量、推薦施肥，是傳統采樣測量和施肥技術的有效補充。 在作物推薦施肥技術方面，氮肥施用技術發展較快，而磷肥和鉀肥的遙感實施推薦技術發展相對較慢。例如，通過田間氮肥梯度試驗和光譜遙感技術， 定量監測和診斷作物冠層或者葉片氮素養分含量， 找出對葉片氮含量敏感的光譜特征和特異植被指數， 建立基于光譜特征和特異植被指數的葉片氮含量反演模型， 從而推薦理論氮肥用量，再進行實際用量驗證[22-23]。目前，江漢平原地區利用無人機高光譜數據監測作物長勢主要集中在水稻、冬小麥、油菜、棉花、大豆和蓮藕上，同時也為農作物病蟲害預測和及時飛防提供決策支持。 近年來，作物精準施肥和高效施肥的迫切需求又推動無人機精準變量施肥技術的發展。 在旱地作物如冬小麥和冬油菜上的模型構建較優， 推薦施肥用量合適，可以快速、有效地降低施肥量，提高肥料利用率。在水稻施肥技術上，由于易受分蘗期田面水和藻類、浮萍等綠色覆蓋物的嚴重干擾，機載高光譜無法高精度識別水稻幼苗和田面狀況， 導致模型構建及方程擬合不太理想。因此，只有在去噪理論和技術上有所突破，才能更好地進行水稻無人機適量追肥。

2 農用無人機技術在農作物生產上的應用

目前， 農用無人機作業對象已經涵蓋了江漢平原全部農作物，包括水稻、小麥等主要糧食作物，葡萄、柑橘、白菜等瓜果蔬菜，以及棉花、油菜、大豆等經濟作物，尤其在水稻和油菜的病蟲害防治、播種和施肥上取得了重大成就[13，16，22]。 飛防調查結果表明，田間作物采用無人機施藥， 藥量可減少20%~40%，飛行作業成本120~150 元/hm2， 而人工施藥成本則是無人機施藥的3~4 倍。 相比于傳統人工農藥噴灑作業，農用無人機可實現路線設定、農藥自動定量、精準控制和低量噴灑作業。 農用無人機旋翼產生的向下氣壓有助于增加藥物對農作物冠層的穿透力，用水量可減少90%， 能有效降低農藥殘留對土壤和環境的污染。 荊州市冬小麥和油菜農藥減施增效田間示范數據顯示，實施無人機噴藥，冬小麥平均用藥量為679.5 g/hm2，比農戶習慣用量減少247.5 g/hm2，成本減少109.1 元/hm2， 施藥增加收益600 元/hm2；油菜的平均用藥成本減少18 元/hm2， 施藥增加收益900 元/hm2。江漢平原常用的農用無人機為廣州極飛科技股份有限公司研發的無人機，在飛行速度6 m/s、用藥量12 L/hm2的條件下， 精噴區噴輻達到4.5 m，作業效率為9.71 hm2/h；快噴區噴輻達到6 m，作業效率為13.0 hm2/h。本文以江漢平原主要種植作物水稻和冬油菜為例，具體闡明農用無人機在兩者上的應用。

2.1 在水稻生產上的應用

江漢平原稻田多， 農業合作社和種田大戶規模較大， 因而水稻種植采用農用無人機進行作業發展迅速，已經形成直播水稻無人機“4F”技術，即飛播、飛測、飛防和飛施。 其中：飛播主要采用北斗定位系統引導無人機精準播種，作業效率為每航次5 min、1 334~3 335 m2，比傳統人工撒播或機械播種效率提高50 倍；飛測通過低空無人機載荷超高分辨率可見光相機或高光譜相機遙感，并采用AI 技術開展作物生長苗情統計、作物長勢、病蟲害監測，精細田間管理；飛施是結合作物長勢監測，精量追施作物養分；飛防采用離心霧化和超低容量變量噴灑技術， 對病蟲害精準防治。 農戶通過“4F”技術實現水稻種植的實時化、精確化、立體化和智能化管理，控制田間作業的各個環節。通過無人機“4F”技術實施水稻直播，具有省工、省力、省時和高效的優點[23]，平均可節本增效1 500 元/hm2，應用前景廣闊。

江漢平原水稻飛播時間一般為5 月中下旬，前茬為冬閑田或綠肥或油菜，以無人機撒播為主，播種量為37~45 kg/hm2。無人機飛行高度為2.0~4.0 m，作業速度為6.0 m/s[16]。 荊門地區田間示范結果表明，撒播無人機產量達到9 627 kg/hm2， 比對照田塊增產11.5%，增加經濟效益3 000 元/hm2。 但是，由于無人機飛行受外界氣流擾動，容易導致漏播，使出苗均勻度較差。因此，撒播無人機需要開發和安裝漏播傳感器，以便及時在漏播區域進行補種，提高田間出苗均勻度和最終產量。飛播水稻必須及時進行化學除草，以土壤封閉為主，即在直播田水落干后，噴施30%丙草芐可濕性粉劑1 500 g/hm2或35%丙草吡啶可濕性粉劑1 350 g/hm2，需稀釋成400~500 倍液飛防。水稻常見病蟲害為稻瘟病、紋枯病、白葉枯病、條斑病和稻曲病。 稻瘟病在水稻抽穗初期和齊穗期各用藥1 次，可用藥劑有三環唑可濕性粉劑、稻瘟靈乳油。紋枯病在水稻分蘗期和孕穗期飛防， 主要藥劑有井岡霉素、紋霉清水劑、粉銹寧可濕性粉劑。 白葉枯病以預防為主， 可在秧苗三葉一心期噴施葉青雙可濕性粉劑、葉枯靈可濕性粉劑、施稻靈懸浮劑[17]。 稻曲病危害水稻穗部，可在抽穗前5~10 d 噴施井岡霉素水劑、粉銹寧乳油、滅黑靈可濕性粉劑。 江漢平原種植中稻為主，常見蟲害為稻飛虱和稻縱卷葉螟。一般在7 月上旬、8 月中上旬噴施5%氟蟲腈450 mL/hm2或25%噻嗪酮可濕性粉劑750 g/hm2， 按照說明書施用。 稻縱卷葉螟在水稻秧苗期和孕穗期進行綜合防治，可使用31%氟腈·唑磷微乳劑、毒死蜱、稻豐散、8 000 IU/mg 蘇云金桿菌可濕性粉劑4 500 g/hm2，將藥劑稀釋成600 倍液飛防， 將細霧均勻噴霧于稻株中上部。水稻施肥分為基肥和分蘗肥，基肥可施用水稻專用肥或者緩控釋肥， 追肥以飛施氮肥尿素為主[23]，用量為40~60 kg/hm2。

2.2 在冬油菜生產上的應用

農用無人機在冬油菜生產上的應用主要包括播種、施藥和追肥。 一是無人機飛播。 根據油菜種植時間， 無人機飛播可分為谷林套種飛播和稻后輪作飛播。 谷林套種飛播，即在水稻機械收獲前3~7 d，利用無人機飛播， 使油菜籽均勻撒落在水稻稻樁間隙地表。江漢平原谷林套種飛播期為9 月16 日至10 月6 日。 采用聯合收割機收獲水稻，用稻草覆蓋地表，施用基肥，然后利用開溝機開溝覆土。這種方式種植的油菜生育期長、 產量高， 以收獲油菜籽為主要目標，但受天氣尤其是降雨影響較大。 稻后輪作飛播，即在水稻機械收獲后飛播油菜籽， 在水稻收獲后施用基肥，旋耕整田，開溝，再飛播。 因此，油菜播種時間不宜遲于10 月16 日，否則不利于后茬水稻種植。冬油菜飛播的播種量通常為7.5~15.0 kg/hm2，并配以輔料如種肥等提高飛播效果。 以極飛科技飛行作業為例，小型無人機載重15 kg，飛行時長5~6 min，單次油菜播種面積0.67~0.80 hm2，飛速6~7 m/s；中型無人機載重40 kg，飛行時長7~8 min，單次油菜播種面積1.33~1.67 hm2，飛速6~7 m/s。 飛播播盤寬度為10~13 m，飛行高度6 m，也可根據地塊實際情況（如障礙物）調節飛行高度。 二是無人機施藥。 冬油菜苗期防治蚜蟲和跳甲，展葉期防治甜菜夜蛾、斜紋夜蛾、小菜蛾和蚜蟲，初花期防治菌核病和蚜蟲。 油菜生長期不僅需要防治病蟲害，還要根據需求、成本和效益合理添加生長調節劑和葉面肥[8]。 原則上，將農藥和水溶肥溶于水中稀釋1 000 倍； 混配類型不超過3 種； 盡量減少可濕性粉劑的施用， 以免堵塞噴頭，做到現配現用。 三是無人機追肥。 主要是越冬期和蕾薹期追肥。一般根據冬油菜長勢，用農用無人機飛施顆粒尿素，用量為75~150 kg/hm2。

3 農用無人機技術在養殖業上的應用

江漢平原河湖、低洼地眾多，適合進行水產養殖，以池塘養魚和稻田復合種養模式為主。近年來，稻蝦輪作模式受到農戶的普遍歡迎，養殖規模不斷擴大。荊州是江漢平原主要產蝦地區。 2020 年，荊州市小龍蝦養殖面積達23.2 萬hm2， 占湖北省總面積的30%；產量41.6 萬t，占全國產量的22%。 稻田小龍蝦生產涉及放養蝦苗、精心投料、水質管理和疾病預防等方面，其中常規投料環節不僅次數多（2 d 投放1 次），而且效率低（小龍蝦怕光，多在夜間進行）。隨著農戶養殖面積的擴大， 人工投料已經不能滿足生產需求。 農用無人機投料可有效解決稻田投料難題。 調查結果表明，無人機投料作業可達5 hm2/h，投料量為15 kg/hm2， 每航次可投料5 kg。 相比人工投料，農用無人機投料不僅均勻，而且便于管理，顯著降低飼養成本[18]。

池塘養魚采用農用無人機投喂飼料也逐漸在荊州、潛江和荊門等地推廣。 調研表明，一般農用無人機的飼料載重量為20 kg，投喂效率為12 hm2/h，是傳統人工作業的8~10 倍。農用無人機根據預先設計的行走路線均勻撒料，投料橫幅可達6~8 m，有利于淡水魚生長規格整齊以及尾水凈化循環使用。

4 展望

農用無人機技術具備快速有效提供地面信息和添加配套設備的優勢， 在精準農業和規模農業上的發展潛力巨大，尤其在土地估算、作物管理、農業噴涂、養殖檢測和投放各種物料方面發揮著更大的作用[16，24-25]。 對江漢平原地區種養殖業的調查發現，農用無人機在荊州、荊門、潛江、仙桃和天門地區的大田作物如水稻、油菜和小麥的播種、施肥、飛防作業上基本成熟，并被普遍推廣，完全替代了人工作業；農用無人機在沿江范圍稻蝦輪作區、池塘集約養殖的小龍蝦投料作業上發展迅速， 相比人工投料更加便捷、經濟和高效；農用無人機在吊瓜、葡萄、蓮藕蔬菜等特色作物的農藥和葉面肥噴施作業上的應用也逐步擴大。

未來農用無人機的發展應在硬件、軟件和專業化推廣方面發力。一是在硬件方面，進一步提高無人機續航能力、載重能力，適配多種傳感器和機載工具，拓展農用無人機的業務范圍。 二是在軟件方面，針對不同作物進行軟件包制定、數據處理和深度算法優化，增強圖像識別能力，做到圖像識別與精準投放同步進行，從而節約航次，提高作業效果。 三是專業化推廣是無人機進入市場后應主要考慮的因素?？梢越Y合地區農業生產的周期性和作物、魚蝦生長特性，做到全季節覆蓋，合理安排作物播種、施肥、打藥等環節的銜接工作， 適配養殖區路線優化和投量適時調控，增加農用無人機使用的經濟效益。隨著人工智能在不同行業應用的深化， 區塊鏈技術被廣泛應用到政府、企業和行業組織[3，26]。 尤其在平原地區，多機械聯合作業越來越普遍， 區塊鏈技術可為農用無人機協同作業、信息共享提供數據傳輸與信息交換， 能夠為構建智慧農業農用無人機協作系統提供重要的技術支持，進而更好地服務農業生產，提高現代農業的機械化和信息化水平。