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中国精准施药技术和装备研究现状及生长建议

本文摘要:1 引言农药在保障国家粮食宁静和农产物有效供应中发挥着不行替代的作用。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生长水平却和农药高速生长水平极不相称,农药有效使用率仅为20%~40%[2]。此外,现阶段中国农业还存在农药用量大、使用率低、植保机械作业效率低、农民劳动强度大、农产物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举行单一一连喷雾作业。

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1 引言农药在保障国家粮食宁静和农产物有效供应中发挥着不行替代的作用。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生长水平却和农药高速生长水平极不相称,农药有效使用率仅为20%~40%[2]。此外,现阶段中国农业还存在农药用量大、使用率低、植保机械作业效率低、农民劳动强度大、农产物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举行单一一连喷雾作业。由于此种作业方式未思量作业区域内病虫草害的漫衍情况与差异等特点,容易造成农药有效身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分。

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,农药使用率迅速提高到50%~60%的高水平[3]。为改变中国精准施药技术落伍的局势,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元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、植物掩护、农药学和农学等学科交织领域的优势,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,并团结部门装备制造企业,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。

使用精准施药技术与高效施药装备可有效淘汰农药使用量、提高农药使用率、淘汰农药对情况的污染,实现对差别种类作物的精准施药。本研究系统论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差别作业场景的精准施药装备,剖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,并针对现在中国精准施药生长中面临的挑战,提出了生长对策和建议。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生长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,使用盘算决议系统制订精准喷雾计谋,驱动变量执行系统或机构实现实时、非均一、非一连的精准喷雾作业,最终实现按需施药[4]。技术体系包罗探测技术、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、高效偏向生长。表1为海内精准施药关键技术的主要研发团队和研究内容。表1 精准施药关键技术Table 1 Key technologies of precision spraying精准施药技术是智慧农业的重要技术组成部门,也是信息时代精准农业生长的重要特征之一[16],在提高农药使用率、淘汰农药用量与残留和降低情况风险等方面的庞大潜力和辽阔前景已获得普遍的国际认同[1],切合当前日趋严格的环保要求[17]。经由科研人员多年努力,中国精准施药技术已取得长足进步,为智能施药装备的生长提供了良好的技术基础,但现在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、传感器新技术的工业化难度大等问题,后续需对这些问题举行针对性研究。

3 精准施药装备研究希望依托精准施药技术的生长,中国精准施药装备的生长也很是迅速。果园自动对靶喷雾机、基于风量调治的果园变量喷雾机、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、自适应匀称喷雾机、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,大大提高了农药使用率。

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此外另有遥控自走式作物喷杆喷雾机和植保无人机,它们实现了人机分散和人药分散,很是适合中国中小型农场的减量精准施药技术要求,生长迅速,深受用户接待。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清闲差异一连喷雾而造成农药浪费和情况污染问题,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为中国研制乐成的果园自动对靶喷雾机典型结果及关键技术点。

表2 果园自动对靶喷雾机典型结果及关键技术点Table 2 Typical achievements and key technical points of orchard automatic target sprayer3.3 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,海内外研究者针对传感器探测技术举行了诸多研究。翟久远等[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]使用多光谱等图像传感探测技术对特征各异的杂草举行识别。近年来,激光传感器(Light Detection and Ranging, 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]。为进一步提高农药使用率、喷雾作业的自动化及精准水平,降低农药的使用量,海内科研机构开展了技术攻关。

2013年,中国农业大学团结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,乐成研制出果园自动仿形变量喷雾机(如图1所示),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,并凭据冠层支解模型及变量决议算法实时调治风机风量和喷头流量(图2),进而实现自动仿形变量喷雾。详细实现流程如下:图1图1 果园自动仿形变量喷雾机Fig. 1 Automatic profile variable sprayer in orchard图2图2 上位机控制界面Fig. 2 Master computer control interface以LiADR激光传感器为探测源不中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举行处置惩罚同时凭据果树冠层界限、密度及体积特征将果树冠层支解成若干个冠层单元[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。该机纵向沉积漫衍呈仿形结构,各冠层单元沉积匀称,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划分淘汰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,提高了农药使用率,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治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治剂等。然而,这种一连匀称的传统施药方式,未思量机体参数、作物参数及喷雾参数的差异,极易造成农药浪费、农药使用率低、作物农药残留严重等问题。

由于大田作业的庞大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淘汰作业历程中农药雾滴飘移,海内科研机构和企业开展了团结攻关,研发乐成了多款大田变量喷杆喷雾机,如表4所示。表4 大田变量喷杆喷雾机Table 4 Variable boom sprayer in field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,研发基于多功效高地隙底盘的精准变量喷杆喷雾机,该机使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丈量误差≤15%,变量施药系统的施药液量控制精度在±8%以内,实现准确施药的目的。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蓬勃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水平一直不高,仍有很大生长空间,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生长与应用提供新动力。

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]、速度调治快速利便、雾滴笼罩率高、定点喷洒[57]、成本低[58]、宁静性好等优势,近年来已成为一种重要的新型植保作业机具[59]。凭据相关国家检测部门观察统计显示,停止到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种各种植保无人机总计3.15万架,全年销售各种植保无人机1万多台。各种植保无人机在除西藏自治区、青海省与台湾地域以外全国种种作物上喷雾作业面积到达26700万亩次,实现了“人机分散、人药分散”,一分钟一亩地的高效作业[60]。

到现在为止,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差别作物农情信息的实时获取、航空影像的拍摄以及差别种类农作物的育种等[61,62]。图3图3 3WSF-200型自走式水旱两用风送低量防飘喷杆喷雾机Fig. 3 3WSF-200 self-propelled water and drought dual use wind supply low volume anti-floating spraying rod sprayer图4图4 3WSH-500导流式高地隙自走喷杆喷雾机Fig. 4 3WSH-500 High-clearance guided baffle self-propelled boom sprayer图5图5 具有流量与压力自动调治功效的喷杆喷雾机精准变量喷雾控制系统Fig. 5 Precision variable spray control system for boom sprayer with flow and pressure automatic regulation function中国通用轻小型农用植保无人机现在型号繁多,药箱容量规模基本在5~20L(最近两年相继泛起过药箱容量大于30L的植保无人机,可是应用相对较少),喷幅规模基本在5~20m,可以满足差别的施药情况和作业条件,病虫害防治可以到达6hm2/h,可以有效地防治差别作物病虫草害的大面积突发情况。市面上植保无人机典型机型、型号及研发机构如表5所示。表5 中国植保无人机典型机型Table 5 Typical models of plant protection drones图6 “CAU-3WZN10A”型单旋翼植保无人机Fig.6 CAU-3WZN10A Single rotor plant protection UAV图7图7 “3WSZ-15”型18旋翼植保无人机Fig.7 WSZ-15 Rotor plant protection UAV研究人员使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,接纳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丈量系统联用,对海内典型植保无人机沉积和飘移特性举行了评估;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)条件下的雾滴飘移漫衍特性研究效果讲明侧风风速为雾滴飘移的主要影响因素。邱白晶等[66]建设了无人直升机喷雾雾滴沉积浓度、沉积匀称性与航行速度和航行高度之间的关系模型。秦维彩等[67,68]的研究讲明无人机在玉米、水稻冠层作业高度和横向喷幅会显著影响雾滴沉积量和漫衍匀称性。

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陈盛德等[69]通过设计差别的航行参数研究了差别喷雾作业参数对水稻冠层的雾滴沉积漫衍的影响,航行高度和航行速度对靶区内收罗点上雾滴平均沉积量影响显著,对雾滴沉积匀称性影响并不显著。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纪律举行了风洞试验研究。

朱航等[72]应用喷雾性能综合试验台对无人机在差别旋翼转速、喷雾高度、离心喷头转速情况下的雾滴沉积漫衍、雾滴粒径举行了试验测试,效果讲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生长,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,植保无人机的生长很是迅猛,市场火爆,各厂家新产物层出不穷。

同时这种生长也是一个大浪淘沙的历程,在施药匀称性、防治效果稳定性、执法法例和尺度完善性、自身质量、宁静羁系、农药雾滴飘移情况污染等方面仍存在诸多问题,还需要治理部门、科研机构、生产厂商和使用者回归理性,配合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生长建议4.1 面临的挑战现在,精准施药在中国应用领域很是广泛,生长前景辽阔。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,取得了丰硕的结果,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庞大、造价高、不易操作等问题,关键技术与产物的研发水平远远落伍于中国智慧农业生长的要求。

(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、控制与自动调治部件主要以购置入口为主,大规模应用少。(3)精准施药技术与装备的研发应该联合差别的专业作物、应用情况条件、同一作物差别生恒久等开展深入系统的研究,以盘算方法为焦点的控制模型的缺乏是精准施药技术与产物研发领域存在的显着的短板。(4)精准喷雾要合理使用低容量与超低容量喷雾技术,同时还需要联合农药剂型、差别专业作物与气象条件加以系统地研究,喷雾历程中的雾化、沉积、淘汰飘失机理与实现智能变量的喷雾简朴易行的喷雾盘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停短缺一定陪同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“人机分散”的自动化作业是植保机械在以后一段时期的生长主要偏向。只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结果,但与蓬勃西欧国家相比,研发力度与投入力度显着不足、与中国高速生长的经济、生产实际应用显着不符,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,研发出专业的盘算芯片,将盘算芯片通过中央控制装置控制电磁阀举行“有靶标喷雾,没有不喷雾”的仿形喷雾作业,可大大节约农药、提高农药使用率。所以建议国家层面上的农业、科研治理部门应该加大科研与资金投入力度,增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“简朴化、智能化、精准化”的偏向。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,突破恒久在施药历程中的弊病,提高病虫草害的防治水平,让农业的增产增收到达良性循环的历程。(3)未来除继续鼎力大举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散、人药分散并联合北斗自主导航的地面自走式各种大田粮食作物、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,实现跨越式生长。

(4)智能精准变量新药械与高效施药技术的研发是关键,药械的产物性能、作业效率以及智能变量准确性是本技术推广应用的焦点要求。宽大研发生产单元应继续加大精准喷雾装备研发历程中新技术的集成,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、适合农民操作的简朴易行的新产物。(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,越发具备农药、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造就的支持力度,接纳蓬勃国家的先进履历,建设特殊的政府补助制定、专门的人才专业培训系统。

作者:何雄奎泉源:智慧农业接待大家在评论区交流分享更多精彩资讯,请连续关注数字农业分会官方账号。


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