中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议
发布时间：2020-07-04
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
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。
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。
从表2可以看出，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(Leaf Area Index，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(Food and Agriculture Organization of the United Nations，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(表3)。
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(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(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(图2)，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，如表4所示。
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。
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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]。——论文作者：何雄奎
