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中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议

时间:2020年06月03日 所属分类:农业论文 点击次数:

摘要:植物化学保护即使用植保机械喷施化学农药是当前最主要的病虫害防控方法,一直以来对保障农业生产安全与粮食有效供给起至关重要作用。能够实现按需精准施药、变量施药、人机分离与人药分离的高效、精准、智能的施药技术和装备是提高农药药效与利用率的保

  摘要:植物化学保护即使用植保机械喷施化学农药是当前最主要的病虫害防控方法,一直以来对保障农业生产安全与粮食有效供给起至关重要作用。能够实现按需精准施药、变量施药、人机分离与人药分离的高效、精准、智能的施药技术和装备是提高农药药效与利用率的保证,也是保障食品安全、降低农民劳动强度的重要措施,是目前国内外研究的热点。本研究对精准施药关键技术及研究现状进行了分析,对适用于不同作业场景的精准施药装备的研究现状、典型代表、应用进展等进行了分类总结,分析了目前精准施药发展中面临的挑战,并提出了对策和建议。本研究可为精准施药技术研究的推进、智能施药装备的研发和现代化农业的发展提供参考和思路。

  关键词:精准施药;变量施药;自动对靶喷雾;仿形喷雾机;喷杆喷雾机;无人机

南方农机

  农机论文投稿刊物:《南方农机》(双月刊)创刊于1970年,由江西省农业机械研究所、江西省农业机械化技术推广站、江西省农业机械学会主办。本刊是国内外公开发行,颇有南方特色的农机化技术刊物,以全面推介南方适用农业机械,大力普及实用农机科技为宗旨,谒诚为广大农村机手、农机生产和销售企业、基层农机工作者、农机科技人员服务。

  1引言

  农药在保障国家粮食安全和农产品有效供给中发挥着不可替代的作用。自1997年起,中国成为世界上最大的农药生产国与使用国[1],但中国施药技术与植保机械发展水平却和农药高速发展水平极不相称,农药有效利用率仅为20%~40%[2]。此外,现阶段中国农业还存在农药用量大、利用率低、植保机械作业效率低、农民劳动强度大、农产品农药残留超标等问题。

  传统植保作业通常在作业区域内使用同一施药量进行单一连续喷雾作业。由于此种作业方式未考虑作业区域内病虫草害的分布情况与差异等特点,容易造成农药有效成分在病虫草害严重的区域用量不足,而在轻微或没有发生的区域用量过度。进入21世纪以来,美国、日本、欧盟等陆续将自动化、信息化技术与新型传感器应用于精准施药技术和智能植保机械的研发,农药利用率迅速提高到50%~60%的高水平[3]。

  为改变中国精准施药技术落后的局面,提高植保机械作业精准与自动化水平,科学技术部、国家自然基金委、农业农村部等资助了一系列精准施药技术和装备的研发项目。中国农业大学、华南农业大学、南京农业大学、中国农业机械化科学研究院、国家农业信息化工程技术研究中心、农业农村部南京农业机械化研究所等单位基于中国农业生产实际情况,发挥院校、科研院所在农业工程、植保机械、植物保护、农药学和农学等学科交叉领域的优势,融合传感器探测、遥感、机电一体化、卫星导航等多种前沿技术,并联合部分装备制造企业,研发出一系列精准施药技术,创制了一批新型现代化植保装备,并在农业生产中大量推广。

  利用精准施药技术与高效施药装备可有效减少农药使用量、提高农药利用率、减少农药对环境的污染,实现对不同种类作物的精准施药。本研究系统阐述了中国精准施药技术的研究现状,概述了中国创制的适用于不同作业场景的精准施药装备,解析了精准施药技术与装备如何解决植保作业中存在的问题,并针对目前中国精准施药发展中面临的挑战,提出了发展对策和建议。本研究为精准施药技术研究的推进、智能施药装备的研发提供了参考,可为中国农药减量计划的推进和农业现代化发展提供新方法和新思路。

  2精准施药关键技术及研究现状

  精准施药技术是通过传感探测技术获取喷雾靶标即农作物与病虫草害的信息,利用计算决策系统制订精准喷雾策略,驱动变量执行系统或机构实现实时、非均一、非连续的精准喷雾作业,最终实现按需施药[4]。技术体系包括探测技术、施药控制系统及算法、喷雾控制技术等。施药技术与施药装备正向着智能、精准、低量、高效方向发展。表1为国内精准施药关键技术的主要研发团队和研究内容。

  研究了树冠内雾滴穿透比例分布规律,构建了风送喷雾雾滴冠层穿透模型。精准施药技术是智慧农业的重要技术组成部分,也是信息时代精准农业发展的重要特征之一[16],在提高农药利用率、减少农药用量与残留和降低环境风险等方面的巨大潜力和广阔前景已获得普遍的国际认同[1],符合当前日趋严格的环保要求[17]。经过科研人员多年努力,中国精准施药技术已取得长足进步,为智能施药装备的发展提供了良好的技术基础,但目前精准施药技术仍存在定位系统精度不足、关键技术的协调性差、传感器新技术的产业化难度大等问题,后续需对这些问题进行针对性研究。

  3精准施药装备研究进展

  依托精准施药技术的发展,中国精准施药装备的发展也非常迅速。果园自动对靶喷雾机、基于风量调节的果园变量喷雾机、玉米田间自动对靶除草机、可调地隙与轮距的高地隙自走式喷杆喷雾机、自适应均匀喷雾机、循环喷雾机以及仿形喷雾机等新型施药装备纷纷问题,实现了农药的精准喷施,大大提高了农药利用率。此外还有遥控自走式作物喷杆喷雾机和植保无人机,它们实现了人机分离和人药分离,非常适合中国中小型农场的减量精准施药技术要求,发展迅速,深受用户欢迎。

  3.1果园自动对靶喷雾机

  为解决传统果园喷雾机无法识别靶标及靶标间空隙差异连续喷雾而造成农药浪费和环境污染问题,研究人员开展了一系列针对果园自动对靶喷雾装备的研究探索。表2为中国研制成功的果园自动对靶喷雾机典型成果及关键技术点。

  目前果园自动对靶喷雾机的关键技术集中于红外传感激光测距和超声波等。相比于传统的风送式果园喷雾机,自动对靶喷雾机能够提高在目标冠层及叶片背面的沉积量,且沉积均匀,使农药沉积利用率达到52.5%,实现节药40%~60%,减少雾滴的飘失及农药浪费,提高农药利用率及防治效果[31]。但是,目前自动对靶喷雾机靶标识别过程中产生误判概率高,尤其是在复杂环境中精准识别靶标的能力不强,在识别精度上仍有提高空间。

  3.2果园风送变量喷雾机

  中国各地果园大多密植且布局形态各异,果树冠层在不同生长周期枝叶茂密程度不一,叶面指数(LeafAreaIndex,LAI)在生长期内由0不断增大直至最大值,传统的纯液力喷雾机难以穿透枝叶茂密的果树冠层在树膛内沉积,且在早期的稀疏冠层内容易造成雾滴飘失。

  传统果园喷雾机因茂密的枝叶雾滴难以穿透冠层,而采用风力辅助输送雾滴,可以提高雾滴在果树冠层的穿透和沉积分布。同时,风送喷雾机利用气流辅助技术,可胁迫雾滴定向沉积至目标冠层,在此过程中气流进一步第二次破碎雾滴同时翻转扰动冠层内部枝叶使得雾滴沉积到目标冠层内部,从而增加雾滴在目标冠层内部的穿透能力、叶片背面的沉积量、沉积分布均匀性,提高病虫害防治效果。

  联合国粮食及农业组织(FoodandAgricultureOrganizationoftheUnitedNations,FAO)于20世纪60年代在全球推广风送喷雾技术,中国在20世纪80年代引进该技术并进行了推广应用取得了良好的防治效果[32]。但在实际果园喷雾作业过程中,同一植株在不同生长周期冠层枝叶茂密程度不同,所需风量不同,传统风送喷雾机无法根据枝叶稀疏度调整风量作业,导致不同生长周期的目标冠层风量不足或过量,从而造成雾滴难以在目标冠层有效沉积。

  风送变量喷雾机能够依据果树不同生长周期及冠层枝叶稠密程度实时调节风速与风量,以保证目标冠层有效沉积提高喷雾质量。目前国内多个团队已经研制出了多种风送变量喷雾机。基于蠕动泵与静态混合器设计的实时混药模块与基于测速单元与冠形探测单元设计的变量喷雾模块分别单独控制,构建三种不同类型静态混合器的三维模型。设计四指喷头、五指喷头、六指喷头三种不同结构的多流道喷头,在风速流场和雾化性能方面进行了仿真模拟和试验。基于激光雷达探测技术,研究了果园变量对靶喷雾系统信息采集方法,变量对靶喷雾系统实时控制方法,开发了变量对靶喷雾控制系统软件。

  3.3果园自动仿形变量喷雾机

  精准施药需要依靠传感器探测技术获取的作物冠层信息,国内外研究者针对传感器探测技术进行了诸多研究。翟长远等[22]研究了树型喷洒靶标外形轮廓探测方法,基于超声传感器研制了靶标外形轮廓探测试验平台;Lee等[39]、Tellaeche等[40]、Feyaerts等[41]利用多光谱等图像传感探测技术对特征各异的杂草进行识别。近年来,激光传感器(LightDetectionandRanging,LiDAR)由于探测精度高,其在农业领域的应用也越来越广泛[42],超声波、图像传感器技术也为变量喷雾提供了实现手段[43]。

  为进一步提高农药利用率、喷雾作业的自动化及精准程度,降低农药的使用量,国内科研机构开展了技术攻关。2013年,中国农业大学联合无锡市中波机械制造有限公司在果园自动对靶喷雾机及自走履带式风送果园变量喷雾机的基础上,成功研制出果园自动仿形变量喷雾机,该机通过扫描角度为270°的LiADR激光传感器实时获取树冠特征信息,并根据冠层分割模型及变量决策算法实时调节风机风量和喷头流量,进而实现自动仿形变量喷雾。具体实现流程如下:

  以LiADR激光传感器为探测源不间断的扫描机具两侧的果树冠层,控制系统将收集到的点云信息进行处理同时根据果树冠层边界、密度及体积特征将果树冠层分割成若干个冠层单元[29],通过冠层单元体积所需风量及喷量改变电机及电磁阀的PWM占空比[44],实时调控电动风机出风量及喷头喷量。该机纵向沉积分布呈仿形结构,各冠层单元沉积均匀,与定向风送喷雾机相比,可降低用药量45.7%,而雾滴飘移及地面流失分别减少23.2%及67.4%[45,46]。该机在之前成熟的自动对靶、变风量技术的基础上,针对植株冠层特征创新实现了仿形变量喷雾,提高了农药利用率,为果园精准喷雾机提供了新设计、新思路、新结构。

  3.4大田变量喷杆喷雾机

  喷杆喷雾机是大田管理作业中最为常见的施药机械,主要针对种植在大田中的小麦、大豆及甜菜等主粮作物或经济作物,可有针对性地喷施杀虫剂、杀菌剂、除草剂及植物生长调节剂等。然而,这种连续均匀的传统施药方式,未考虑机体参数、作物参数及喷雾参数的差异,极易造成农药浪费、农药利用率低、作物农药残留严重等问题。由于大田作业的复杂性和大田作物的特殊性,大田喷杆喷雾机很少使用精准施药技术。为实现中国大田喷杆喷雾机精准施药并减少作业过程中农药雾滴飘移,国内科研机构和企业开展了联合攻关,研发成功了多款大田变量喷杆喷雾机。

  此外,中国农业大学药械与施药技术研究中心和中国农业机械化科学研究院正在开展技术攻关,研发基于多功能高地隙底盘的精准变量喷杆喷雾机,该机利用三维激光雷达探测技术、PWM技术、冠层特征参数建模等技术,实现喷头喷雾的实时变量控制,激光传感器的作物密度测量误差≤15%,变量施药系统的施药液量控制精度在±8%以内,实现精确施药的目标。

  喷杆喷雾机凭借作业效率高、施药效果佳等特点成为当前农业发达国家普遍使用的大田高效精准施药机具,但其在中国的推广应用程度一直不高,仍有很大发展空间,基于大田喷杆喷雾机的精准变量施药装备及技术研究将为喷杆喷雾机在中国的发展与应用提供新动力。

  3.5植保无人机

  相比地面植保设备,植保无人机具有地形适应性好[56]、速度调节快速方便、雾滴覆盖率高、定点喷洒[57]、成本低[58]、安全性好等优势,近年来已成为一种重要的新型植保作业机具[59]。根据相关国家检测部门调查统计显示,截止到2018年年底,中国共有300多家植保无人机生产厂家,已开发出253种各类植保无人机总计3.15万架,全年销售各类植保无人机1万多台。各类植保无人机在除西藏自治区、青海省与台湾地区以外全国各种作物上喷雾作业面积达到26700万亩次,实现了“人机分离、人药分离”,一分钟一亩地的高效作业[60]。到目前为止,中国已经有95%以上的航空技术被应用在田间病虫害防治的植保无人机上,另外5%的农业航空技术主要用于不同作物农情信息的及时获取、航空影像的拍摄以及不同种类农作物的育种等[61,62]。

  中国通用轻小型农用植保无人机目前型号繁多,药箱容量范围基本在5~20L(最近两年相继出现过药箱容量大于30L的植保无人机,但是应用相对较少),喷幅范围基本在5~20m,可以满足不同的施药环境和作业条件,病虫害防治可以达到6hm2/h,可以有效地防治不同作物病虫草害的大面积突发情况。

  研究人员利用针对植保无人机开展的研究主要集中在无人机喷雾的雾滴沉积和漂移特性方面。王昌陵等[63,64]提出了一种植保无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法,采用雾滴质量平衡收集装置、北斗卫星定位系统和多通道微气象测量系统联用,对国内典型植保无人机沉积和飘移特性进行了评估;王潇楠等[65]针对油动单旋翼植保无人机在精准作业参数(速度、高度)条件下的雾滴飘移分布特性研究结果表明侧风风速为雾滴飘移的主要影响因素。邱白晶等[66]建立了无人直升机喷雾雾滴沉积浓度、沉积均匀性与飞行速度和飞行高度之间的关系模型。秦维彩等[67,68]的研究表明无人机在玉米、水稻冠层作业高度和横向喷幅会显著影响雾滴沉积量和分布均匀性。陈盛德等[69]通过设计不同的飞行参数研究了不同喷雾作业参数对水稻冠层的雾滴沉积分布的影响,飞行高度和飞行速度对靶区内采集点上雾滴平均沉积量影响显著,对雾滴沉积均匀性影响并不显著。王玲等[70,71]设计了微型无人机脉宽调制型变量喷药系统,通过荧光粉测试方法对悬停无人机变量喷药的雾滴沉积规律进行了风洞试验研究。朱航等[72]应用喷雾性能综合试验台对无人机在不同旋翼转速、喷雾高度、离心喷头转速情况下的雾滴沉积分布、雾滴粒径进行了试验测试,结果表明喷雾高度对沉积量影响极显著,喷头转速和旋翼转速对雾滴粒径影响极显著。

  2010年以来,随着植保无人机在中国的迅速发展,以植保无人机为应用载体的低空低量航空施药技术已逐步成为研究热点,尤其近五年以来,植保无人机的发展非常迅猛,市场火爆,各厂家新产品层出不穷。同时这种发展也是一个大浪淘沙的过程,在施药均匀性、防治效果稳定性、法律法规和标准完善性、自身质量、安全监管、农药雾滴飘移环境污染等方面仍存在诸多问题,还需要管理部门、科研机构、生产厂商和使用者回归理性,共同努力让植保无人机真正成为专用高效精准施药装备。

  4精准施药面临的挑战及发展建议

  4.1面临的挑战

  目前,精准施药在中国应用领域非常广泛,发展前景广阔。中国植保机械研究科研院所及相关领域的科学研究人员开展了大量的精准施药技术研究,取得了丰硕的成果,但因研发与技术条件等缺陷,在以下方面还面临着挑战。

  (1)精准施药装备研发还处于探测技术与机电一体化的集成阶段,市场上的精准变量施药装备普遍存在装备结构复杂、造价高、不易操作等问题,关键技术与产品的研发水平远远落后于中国智慧农业发展的要求。

  (2)农业专业传感器研发不够、农业专用传感器研发生产较少,同时市场上可用的传感器、控制与自动调节部件主要以购买进口为主,大规模应用少。

  (3)精准施药技术与装备的研发应该结合不同的专业作物、应用环境条件、同一作物不同生长期等开展深入系统的研究,以计算方法为核心的控制模型的缺乏是精准施药技术与产品研发领域存在的明显的短板。

  (4)精准喷雾要合理利用低容量与超低容量喷雾技术,同时还需要结合农药剂型、不同专业作物与气象条件加以系统地研究,喷雾过程中的雾化、沉积、减少飘失机理与实现智能变量的喷雾简单易行的喷雾计算控制方法等基础理论有待于进一步深入探索。

  4.2建议和展望

  国民经济的快速增长与劳动市场人力的不断短缺必然伴随着对新型智能施药机械的需求。为了确保农药的精准喷雾,精准对靶、智能变量以及实现“人机分离”的自动化作业是植保机械在今后一段时期的发展主要方向。尽管国家加大了研发投入,在精准施药技术、新型施药机具研发应用推广方面取得了一定的成果,但与发达欧美国家相比,研发力度与投入力度明显不足、与中国高速发展的经济、生产实际应用明显不符,我们还需要做出更大的努力。

  (1)开展关键传感技术与专业传感器、关键部件的研发、系统性的开展专业仿形变量喷雾的算法研究,研发出专业的计算芯片,将计算芯片通过中央控制装置控制电磁阀进行“有靶标喷雾,没有不喷雾”的仿形喷雾作业,可大大节省农药、提高农药利用率。所以建议国家层面上的农业、科研管理部门应该加大科研与资金投入力度,加强精准变量喷雾技术与装备及部件的研发、应用与推广。

  (2)随着中国现代化的推进,新型精准施药技术与植保装备必将取代传统植保模式,将植保领域推向“简单化、智能化、精准化”的方向。建议加大高效施药技术与新型精准植保装备的推广应用,从而使先进的植保技术真正地服务于中国植保领域,突破长期在施药过程中的弊病,提高病虫草害的防治水平,让农业的增产增收达到良性循环的过程。

  (3)未来除继续大力研发推广适合中国现有种植模式与作业规模的低空低量航空施药植保无人机以外,应加大研发植保装备的人机分离、人药分离并结合北斗自主导航的地面自走式各类大田粮食作物、果树与其他经济作物的精准变量植保装备与技术,整理提高中国植保装备的现代化智能化水平,实现跨越式发展。

  (4)智能精准变量新药械与高效施药技术的研发是关键,药械的产品性能、作业效率以及智能变量准确性是本技术推广应用的核心要求。广大研发生产单位应继续加大精准喷雾装备研发过程中新技术的集成,将轻简化作业作为研究开发的关键内容之一,生产、销售推广价廉物美、适合农民操作的简单易行的新产品。

  (5)农药是一把“双刃剑”,在助力病虫草害防治的同时,农药使用者必须在具有智能化手段的前提下,更加具备农药、植保、化学农药与生物技术的专门知识。所以政府应在进一步加大对智能精准变量施药装备与技术的研发、应用推广的同时,加大对使用现代智能植保装备与技术专业植保人才培养的支持力度,采用发达国家的先进经验,建立特殊的政府补贴制定、专门的人才专业培训系统。

  参考文献

  [1]何雄奎.植保精准施药技术装备[J].农业工程技术,2017,37(30):22-26.

  [2]何雄奎.我国植保无人机喷雾系统与施药技术[J].农业工程技术,2018,38(9):33-38.

  [3]翟长远,朱瑞祥,张佐经,等.精准施药技术现状分析[J].农机化研究,2010,32(5):9-12.

  ZhaiC,ZhuR,ZhangZ,etal.Statusanalysisofprecisionpesticideapplicationtechniques[J].JournalofAgriculturalMechanizationResearch,2010,32(5):9-12.

  [4]刁智华,刁春迎,魏玉泉,等.精准施药机器人关键技术研究进展[J].农机化研究,2017,11:1-6.

  作者:何雄奎