論農業航空技術的進展范文

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美國農業航空服務現狀

美國是世界上農業航空技術最先進，應用最廣泛的國家，農用飛機有20多個品種，根據機型劃分，可分為固定翼飛機和直升飛機兩大類;根據載荷不同，可分為大型和中小型兩類，大型旋風式農用飛機載重1.5t，中小型為0.5～1t。農用飛機價格通常在100～140萬美元之間。美國現有農業航空公司2000多家，在用農用飛機約4000架，注冊農用飛機駕駛員3000多名，年處理耕地面積近3400萬hm2，占美國年處理耕地面積的40%。森林植保作業100%采用航空作業方式。美國農業航空服務一個重要的特點就是有強大的農業航空組織體系，包括國家農業航空協會和近40個州級農業航空協會。國家農業航空協會有來自于46個州的1700個會員，會員主要包括企業業主和飛行員。協會一方面為會員提供品牌保護、繼續教育、安全計劃、農林業與公共服務業方面的聯系與信息服務，另一方面還積極開展提高航空應用效率與安全性方面的研究與教育計劃。由于共同的利益與目標，美國國家農業航空協會還與政府機構，包括美國聯邦航空管理局、美國環境保護署、美國農業部、重要的科研機構如美國農業部南方平原研究中心以及材料與化學工業行業保持緊密聯系與合作。另外，協會還通過組織航空年會，為會員在新產品、新技術以及教育方面提供重要的交流機會，特別是新技術趨勢會吸引了眾多企業與農場主，他們都希望能夠在會上尋求到更經濟的技術用于農業生產。

農業航空施藥技術

農業航空施藥作業是農業航空服務最主要的作業項目。在美國，航空施藥作業規范齊全，施藥部件系列完善，能適合不同作業要求。隨著精準農業技術手段如GPS自動導航、施藥自動控制系統、各種作業模型的逐步應用，施藥作業變得更加精準、高效，對環境的污染也在不斷降低。

1GPS導航施藥技術

美國的農用飛機都配備精密儀器和設備，如GPS是很普遍的裝備，部分農用飛機還配備流程控制、實時氣象測試系統和精確噴灑設備。飛機上的GPS系統，由駕駛艙儀表板上的移動地圖顯示裝置、指示燈條以及鍵盤組成。在施藥作業之前，施藥規劃人員通過手持GPS測量確定施藥作業區域的邊界點，當這些邊界點加載到施藥飛機的GPS接收器上，就形成一個施藥區域地圖。GPS根據區域地圖規劃出施藥作業的航路圖，并準確地使飛機沿著規定路線施藥，有效避免重噴和漏噴。當藥箱中的藥液不夠時，GPS會記錄結束噴藥的關閉點，待藥液重新加載完成后，飛機會從關閉點開始繼續施藥。大多數GPS系統在駕駛艙內都有一個顯示屏，可以實時顯示噴藥地塊、路線和飛機在已規劃航路中的位置，便于飛行員進行監控及修正。GPS獲取的作業信息，如飛機飛行軌跡、噴霧系統開與關、飛行速度等，也可以輸入到GIS系統中，用來分析施藥作業情況。這些信息也被作為一種合法的記錄，用于由于施藥可能產生的糾紛處理中［1］。

2航空噴嘴

美國航空施藥噴嘴根據霧化方式主要分兩種:液力霧化噴嘴和旋轉離心霧化噴嘴(圖1)。航空用液力噴嘴的設計類似于地面施藥裝備的噴嘴，但是有較大的區別:一是由于飛機飛行的速度比較快，因此航空施藥液力噴嘴的流量非常大;二是由于航空噴嘴工作時會遇到高速空氣流，因此航空施藥液力噴嘴工作時會受到很大的空氣剪切力;三是航空噴嘴的安裝角度與地面噴嘴不同，高速空氣流會直接影響霧滴譜。典型的航空施藥液力噴嘴是CP噴嘴系列，多頭CP噴嘴可以提供多種孔徑，飛行員通過旋轉噴嘴座來改變噴量，通過快速調節噴桿實現噴嘴角度向前或向下改變。另外一種航空施藥噴嘴是旋轉式離心霧化噴嘴(Micron公司制造)，驅動方式有電動驅動和風力驅動兩種形式。這種噴嘴主要有3個特點:①霧滴可控，可以通過調節旋轉速度，有效地控制霧滴直徑。②大流道結構不會產生堵塞現象，所以非常適合應用于可溶性粉劑和懸浮劑的噴灑作業。③主要用于低量施藥，因此用此類噴嘴進行航空施藥，通常只需要6～8個噴嘴。

3航空噴嘴模型

美國農業部航空應用技術研究中心研究出一種航空噴嘴噴灑模型，通過噴嘴的電腦模型，可以清晰了解噴嘴產生的霧滴情況，以便選擇并設計合適的作業參數。噴嘴模型可以通過噴嘴型式、噴霧壓力、氣流速度和噴霧藥液來預測將會產生的霧滴譜。目前，航空噴嘴模型不僅給使用者提供作業依據，還作為EPA、州監管部門及相關人員等評估噴霧作業霧滴譜范圍是否符合農藥使用標簽規定的依據。噴嘴空中霧滴譜數據研究，最早從1954年開始，Akesson、Bouse、Hewitt、Picot等開展了在各種條件下、不同噴嘴霧滴譜的相關研究，但是這些研究數據獲取方式不統一。直到1990年，應EPA的要求，由38家美國農業化工公司資助的農藥飄移研究小組收集、研究了大約2000個產品的相關數據來評估飄移。1999年，美國農業工程師學會，ASAE，2005年更名為技術委員會又通過“合作標準項目”，制訂了農用噴霧霧滴譜分類標準。按照標準程序，SDTF獲得一系列噴嘴霧化數據，Hermansky、Hewitt分別建立模型來描繪了這些噴嘴［1～2］。建立噴嘴模型，引起了美國國家航空協會的興趣，它要求建立一些最常用噴嘴模型。隨后，NAA和USDA對市場上所使用的噴嘴進行了調查，將固定翼飛機所使用的市場占有率超過5%以及一些具有獨特設計或霧化特性的噴嘴列入了名單，這些噴嘴包括現在市場占有率超過60%的CP可調噴嘴、水射流噴嘴(Lund、TVB等)。目前，美國DSDA-ARS的DropKirk模型已成為美國航空施藥作業條件選擇的重要依據［3］。

4航空飄移預測模型

美國十分重視農藥噴灑作業中霧滴飄移引起的環境污染問題，對于航空施藥的安全區域，已有明確的法律條文規定。目前，飄移模型已成為決策是否允許航空施藥和處理相關糾紛的重要手段。20世紀70年代末到80年代初，美國林業局開始用計算機模型來分析和預測航空施藥中霧滴飄移、沉積情況。最早的模型是FSCBG模型，該模型研究天氣因素、蒸發情況和冠層穿透對沉積分布的影響，預測霧滴分布、沉積，用于制定施灑作業方案和對環境的風險評估。在Teske等研究人員努力下，FSCBG模型發展成為著名的AGDISP模型。用戶可以輸入噴嘴、藥液、飛機類型、天氣因素等，通過對內部數據庫調用，預測可能產生的飄移。該模型將飛機尾流、翼尖渦流、直升機旋翼下旋氣流和機身周邊空氣擾動納入到對霧滴的影響因素，把航空施藥的噴灑霧滴作為離散對象進行分析，以平均直徑和體積分數為衡量參數，再將數據經過拉格朗日方程處理，得到霧滴的運動軌跡，以此來預測霧滴的運動和地面沉積模式，可以說該模型的建立為其他模型奠定了基礎。在AGDISP模型的基礎上，STDF做了一系列田間試驗，為建立計算機飄移模型數據庫奠定了堅實的基礎。STDF與EPA合作，在2002年正式注冊了AGDRIFT模型，用于官方監管農業航空噴霧施藥相關事宜。近幾年，AGDISP模型還不斷地被完善。Teske和Thistle等針對AGDISP模型預測范圍小的缺陷，對該模型進行了進一步改進，運用靜態高斯模型法、高斯云團模型和物理角度分析飛機尾流、大氣湍流相互作用、N-S方程求解3種方法，將該模型有效準確預測范圍擴至20km;澳大利亞Hewitt等將地理信息系統引入到航空飄移模型中，通過對實時風速的測定來優化噴施策略，以減少在非靶標區域的農藥飄移損失［4］;新西蘭Praat等開展了從噴霧器(機)和作物冠層特性角度出發，進行一系列飄移研究;德國Kaul等也基于一些具體作物進行了相關的沉積、飄移研究，取得了一定的進展［5］。美國Hoffmann、Fritz和Lan通過一系列噴嘴在低速風洞中測得的尺寸和流量建立了WTDISP模型，然后用同樣的噴嘴做實際試驗，得到了很好的對比結果［6～7］。

5航空靜電噴霧技術

靜電噴霧技術可以增加霧滴在靶標上的沉積，減少非靶標區的飄移，在溫室、果園等地面噴灑作業中已有成功應用。1966年，Carlton等開展航空靜電噴霧技術研究［8］，1999年Carlton獲得航空靜電噴霧系統專利［9］，此專利被美國SES公司購買并形成商業化產品。與地面靜電噴霧系統不同的是，每個航空靜電噴嘴為相距30mm相連的2個噴嘴組成(圖2)。航空靜電噴霧系統的靜電發生器，分別產生正或負電壓，在實際應用時，安裝在飛機的機翼兩側的航空靜電噴嘴，分別與靜電發生器的正或負壓輸出端連接，使兩機翼負載的正、負電壓達到平衡，機身或噴霧支架上總靜電場近似于零。靜電噴霧系統的霧滴感應充電電壓為8～10kV，噴嘴工作壓力為0.5MPa，霧滴VMD約為150μm，施藥液量為9～18L/hm2。近年來，美國學者對航空靜電噴霧系統的作業效果做了一些評估試驗，2001年Kirk、Hoffmann、Carlton研究了系統在棉花上的田間應用效果［10］，2003年Kirk研究了系統抗飄移性能［11］，試驗結果表明，航空靜電噴霧系統可有效減少施藥液量和提高藥液沉積量，但是沒有提高病蟲害防治效果和減少下風處的噴霧飄移。由于美國農藥標簽規定施藥量大于靜電施藥量，航空靜電噴霧系統價格與應用效果等方面的問題，限制了該技術的廣泛應用。

6航空變量施藥技術

航空變量施藥技術，是將不同空間單元的數據與多源數據(土壤性質、病蟲草害、氣候等)進行疊加分析為依據，根據不同地塊的不同要求，有針對性的進行作業。航空遙感與地理信息系統相結合，利用軟件轉換為處方圖，提供給飛機導航系統制造商。變量控制系統下載這種處方圖，利用處方圖來控制施藥量。航空精準施藥系統有2個主要部件:GPS系統和變量施藥控制系統。HemisphereGPS公司2010年產品AirIntelliStar采用了一種新的技術———Crescent接收器，這種新的接收器的頻率為20Hz，使飛行員操作盤接收的信號1s能夠更新20次。與普通的5Hz或10Hz相比，20Hz的頻率能夠提供更精確的信號，因為頻率越高，系統就能夠更準確、更準時地作出相應的變量控制。還有許多其他的公司提供類似的技術裝備，AG-NAV公司有一種型號為AG-NAV2的導航設備，它可以提供給飛行員田地寬度、方向導航以及其他作業信息。Adapco公司生產的WingmanGX具有較大的使用范圍，可以提供基本的飛行指導、飛行記錄、噴灑流量控制等功能，是一個先進的空中噴灑管理系統，WingmanGX系統能夠實時通過氣象傳感器系統接收和處理氣象信息，準確的氣象信息分析減少了噴灑過程中農藥在非靶標作物上的飄移量，最大程度地優化噴灑質量。由于航空變量噴灑系統的應用時間不長，所以關于農藥投放和變量系統反應精確度的信息很少。2005年，Smith和Thomson選擇了一個經緯度已知的區域評估了SatlocAirstarM3導航系統的GPS的位置及機械系統反應滯后問題［12］。2009年，Thomson等測試了流量變量控制系統的定位精度，并且通過給出一些變量指令，觀察它反應的快速性和準確性，相應地改進了控制系統［13］。

精準農業航空技術的研究現狀

精準農業技術是利用各種技術和信息工具來實現農作物生產率的最大化。這種新的技術可以使航空施藥更加精確、更有效率。近幾年來，包括全球定位系統、地理信息系統、土壤地圖、產量監測、養分管理地圖、航拍、變量控制器和新類型的噴嘴如寬頻調制變量噴嘴等精準農業技術，進一步促進了航空應用技術的發展。機載遙感系統可以產生精確的空間圖像用來分析農田植物的水分、營養狀況，病蟲害的狀況;空間統計學可以更好地分析空間圖像，通過圖像處理將遙感數據轉換成處方圖，從而實現航空變量施藥作業。因此，遙感、空間統計學、變量施藥控制技術對于航空精準變量施藥作業系統都是至關重要的［14］。

1遙感技術

近幾年，隨著一系列探測地球資源衛星的發射，衛星遙感技術已成為用于特定地點監測和管理作物生長狀況的重要和有效的工具。一些商業衛星公司通過遙感技術提供不同的空間、光譜特性和分辨率的衛星影像，再利用這些動態變化的衛星影像來監測作物長勢，并對作物產量進行預測。衛星遙感技術雖然在成像幅度和成像擺角等方面有顯著優勢，但是也有很多不足，例如確定這些系統的光譜波段、飛行位置以及高度和采集時間是很困難的。隨著地理信息系統(GIS)、全球衛星定位系統(GPS)、圖像處理技術和數碼攝錄技術的發展，開發高效的航空遙感系統來克服衛星遙感系統的不足，成為一種新趨勢。航空遙感系統的主要特點是機動靈活、作業選擇性強、時效性好、準確度高。遙感裝置包括:數碼相機、CCD(電耦合器件)照相機、攝像機、高光譜照相機、多光譜照相機、熱成像照相機。高光譜成像和多光譜成像的區別在于光譜波段的數量。多光譜一般包含幾個光譜波段數據，光譜往往并不是連續的。高光譜包含了幾十個到數百個波段數據，并且是一套連續的光譜波段。在過去的10年里，航空高光譜遙感技術在農業中的應用一直穩步增長。Goel、Yang、Dobermann等開展了利用高光譜技術進行高粱、棉花的產量評估報告工作［15～21］。Huang、Pinter、Yang等研究表明，與高光譜圖像的系統相比，因為降低了數據密度，多光譜系統便宜得多，適合獲取作物、土壤、雜草或地面覆蓋信息，是服務于農業生產和農藥噴灑既經濟又實用的技術手段［22～26］。通常，在實際的航空遙感應用中，要基于經濟和技術可行性來選擇不同類型的光譜成像系統。

2遙感飛機

航空遙感系統的飛機主要以小型農用飛機和無人駕駛直升飛機為主。圖3所示為USDA-ARS大面積病蟲害管理研究中心航空應用技術團隊用于航空遙感系統的飛機。其中圖3a為空中拖拉機公司生產的402-B型農用飛機，裝載一個整合的氣象系統，實時地測量和記錄風速、風向、溫度、濕度以及壓力。圖3b為Cessna公司生產的206型農用飛機，主要用于航空遙感系統，機載系統包括:數碼相機、多光譜相機、TerraHawk遙感系統(圖4)。圖3c為Rotomotion公司生產的SR20型和SR200型無人駕駛直升飛機，其中SR20使用電池供電飛行時間約為25min，可以承載2.25kg的載荷;SR200使用汽油燃料提供動力飛行時間可達到1h，可以承載約22.5kg的載荷。兩種機型都可以通過軟件實時控制飛行路線，或者按照預先設定好的路線飛行。圖3d為AgHusky農用飛機，同樣是Cessna公司生產的產品，裝載了一個GPS導航系統和變量控制系統，主要用于變量航空噴灑技術的研究。

3空間統計學

空間統計學首次提出和形成于20世紀50年代。近些年來，隨著地理信息系統GIS技術的發展，空間統計學已經引起越來越多的重視，已被廣泛用于空間數據的建模與分析，并且用于自然科學如地球物理學、生物學、流行病學和農業。大量研究成果表明，空間統計學具有在農業管理中應用的優越性和好處。Stein等通過給玉米提供不同劑量的氮肥，然后利用空間統計學建立不同的模型來監測玉米的產量［33］。通過此研究，他們強調了空間分析在降低生產風險、制定可變資源配置上的優越性。Bongiovanni等發現，把空間回歸分析應用于產量管理，可以用來調節玉米和大豆氮肥的變量施肥策略［34～35］。Lambert等指出利用空間經濟學、空間地質統計學、空間趨勢分析氮肥的使用量比普通的最小二乘法、相鄰分析法能夠提供更精確、更強有力的數據保證［36］。Yao等利用土壤樣本數據、航空高光譜成像系統和空間統計學成功地制作了一幅土壤營養圖［37］。Misaghi等使用空中圖像、土壤參數、作物參數制作了預測草莓產量的模型［38］。Bajwa等建立了不同的空間模型測試各種各樣變化的歸一化植被指數，數據來源于遙感技術可見光和近紅外地區的成像，以應對氮含量和葉柄硝態氮含量的營養預測［39］。Huang等發現遙感圖像可以用來預測空間模型和地面的土壤特性和作物冠層覆蓋率等［40］。總的來說，遙感圖像數據和空間統計方法，可以提供有價值的、完整的信息管理。這些信息可用于制作配方、產量等應用地圖，支持變量精準農業技術。

研究趨勢

目前，美國等發達國家在農業航空技術方面的研究熱點，主要有以下3個方面。

1圖像實時處理系統

圖像的實時處理可以彌合遙感和航空變量噴灑的差距。數據的采集和處理是精細航空噴灑的重要部分之一，無論是空中圖像采集、地面傳感器及儀器的監測、人們的觀察，或實驗室樣品的檢測，其數據分析必須正確，這樣才便于更好地了解因果關系。為了能準確地繪制航空變量噴灑的地圖，收集實時的多光譜圖像是一個挑戰。研究的最終目標是建立一個界面友好的圖像處理軟件系統，旨在快速分析空中圖像的數據，以便于在數據采集后可立即進行變量噴灑。

2多傳感器數據融合技術

多傳感器數據融合技術可以把不同位置的多光譜數據、多分辨率數據、環境數據、生物數據加以綜合，消除傳感器間可能存在的冗余和矛盾的數據互補，降低其不確定性，形成對系統的相對完整一致的感知描述，從而提高遙感系統決策、規劃、反映的快速性和正確性，降低決策風險。

3變量噴灑系統

目前，現有的商業變量噴灑控制設備成本高并且操作困難，因此在應用方面受到限制。所以需要開發一種經濟的、應用軟件界面友好的整合系統，可以實時處理空間分布信息并指導在有效面積上的噴灑作業。此外，噴嘴的設計應達到釋放最佳霧滴大小的目的，并提供最大的應用效果，尤其是噴嘴的大小應根據適當的壓力界限而設計，同時可以調節噴嘴的最佳壓力范圍。精確的航空噴灑作業系統使得農藥的利用更加合理和有效，從而滿足農民的要求，達到節能環保的目的。

結束語

隨著精準農業技術的應用，農業航空發展空間更為廣闊。病蟲害管理和農藥使用更合理，對環境影響更小。學習并借鑒先進國家的技術和經驗，對推動我國農業航空的發展具有積極作用。（本文作者：薛新宇、蘭玉彬單位：農業部南京農業機械化研究所、美國農業部南方平原研究中心）