美国农业航空技术现状和发展趋势分析

分类：论文范文 发表时间：2021-11-18 11:20

　　摘要:美国是目前农业航空装备技术最先进、应用最广泛的，农业航空服务组织体系完善，航空施药作业规范，施药部件系列齐全。一些精准农业技术手段如GPS自动导航、施药自动控制系统、各种作业模型已步入实用阶段，作业精准、高效，对环境的污染低。随着精准农业的发展，航空遥感技术、空间统计学、变量施药控制等技术也用于美国农田产量监测，植物的水分、营养状况、病虫害监测。提出了为改善目前技术存在的不足，提高数据准确性和生产效率，需解决的主要技术问题和研究热点，包括:图像实时处理技术、多传感器数据融合技术、航空变量喷洒技术。

　　关键词:精准农业航空施药遥感飘移自动导航

　　引言

　　美国农业航空的发展已有100多年历史，从1906年，俄亥俄州使用飞机喷洒化学药剂消除牧草害虫开始，航空技术在美国农业生产中不断得到推广应用。美国农业航空作业项目主要包括:播种、施肥、除草、灭虫等。农用飞机空中作业效率高;突击能力强，利于消灭暴发性病虫害;不受作物长势的限制，利于作物后期作业。与地面机械田间作业相比，使用农用飞机作业还有降低作业成本、不会损坏农作物的优势，因此很受美国农场主的欢迎。随着精准农业技术的发展，一些不同类型的精准农业技术包括全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感系统(RS)、作物生产专家管理系统和新类型的装备及部件，也逐步应用于农业航空。这些精准农业技术的应用，进一步提升美国农业航空技术水平。相对于美国农业航空研究而言，我国在农业航空研究和应用方面还很滞后。但是，农业航空作为农业生产的一个重要组成部分和反映农业现代化水平的重要标志之一，已引起了政府部门和国内有关方面专家和学者的高度重视，在《中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中，对现代农业航空及相关关键技术提出了规划。随着我国农业科技的大力投入、政策倾斜及低空管制的开放，农业航空将得到迅速发展。本文介绍美国农业航空服务现状、应用现状以及精准农业技术在农业航空中的应用，以期对我国农业航空发展有所借鉴。

　　1美国农业航空服务现状

　　美国是世界上农业航空技术最先进，应用最广泛的，农用飞机有20多个品种，根据机型划分，可分为固定翼飞机和直升飞机两大类;根据载荷不同，可分为大型和中小型两类，大型旋风式农用飞机载重1.5t，中小型为0.5～1t。农用飞机价格通常在100～140万美元之间。美国现有农业航空公司2000多家，在用农用飞机约4000架，注册农用飞机驾驶员3000多名，年处理耕地面积近3400万hm2，占美国年处理耕地面积的40%。森林植保作业100%采用航空作业方式。

　　2农业航空施药技术

　　农业航空施药作业是农业航空服务最主要的作业项目。在美国，航空施药作业规范齐全，施药部件系列完善，能适合不同作业要求。随着精准农业技术手段如GPS自动导航、施药自动控制系统、各种作业模型的逐步应用，施药作业变得更加精准、高效，对环境的污染也在不断降低。2.1GPS导航施药技术美国的农用飞机都配备精密仪器和设备，如GPS是很普遍的装备，部分农用飞机还配备流程控制、实时气象测试系统和精确喷洒设备。飞机上的GPS系统，由驾驶舱仪表板上的移动地图显示装置、指示灯条以及键盘组成。在施药作业之前，施药规划人员通过手持GPS测量确定施药作业区域的边界点，当这些边界点加载到施药飞机的GPS接收器上，就形成一个施药区域地图。GPS根据区域地图规划出施药作业的航路图，并准确地使飞机沿着规定路线施药，有效避免重喷和漏喷。当药箱中的药液不够时，GPS会记录结束喷药的关闭点，待药液重新加载完成后，飞机会从关闭点开始继续施药。大多数GPS系统在驾驶舱内都有一个显示屏，可以实时显示喷药地块、路线和飞机在已规划航路中的位置，便于飞行员进行监控及修正。GPS获取的作业信息，如飞机飞行轨迹、喷雾系统开与关、飞行速度等，也可以输入到GIS系统中，用来分析施药作业情况。这些信息也被作为一种合法的记录，用于由于施药可能产生的纠纷处理中［1］。

　　2.2航空喷嘴

　　美国航空施药喷嘴根据雾化方式主要分两种:液力雾化喷嘴和旋转离心雾化喷嘴(图1)。航空用液力喷嘴的设计类似于地面施药装备的喷嘴，但是有较大的区别:一是由于飞机飞行的速度比较快，因此航空施药液力喷嘴的流量非常大;二是由于航空喷嘴工作时会遇到高速空气流，因此航空施药液力喷嘴工作时会受到很大的空气剪切力;三是航空喷嘴的安装角度与地面喷嘴不同，高速空气流会直接影响雾滴谱。典型的航空施药液力喷嘴是CP喷嘴系列，多头CP喷嘴可以提供多种孔径，飞行员通过旋转喷嘴座来改变喷量，通过快速调节喷杆实现喷嘴角度向前或向下改变。另外一种航空施药喷嘴是旋转式离心雾化喷嘴(Micron公司制造)，驱动方式有电动驱动和风力驱动两种形式。这种喷嘴主要有3个特点:①雾滴可控，可以通过调节旋转速度，有效地控制雾滴直径。②大流道结构不会产生堵塞现象，所以非常适合应用于可溶性粉剂和悬浮剂的喷洒作业。③主要用于低量施药，因此用此类喷嘴进行航空施药，通常只需要6～8个喷嘴。

　　3精准农业航空技术的研究现状

　　精准农业技术是利用各种技术和信息工具来实现农作物生产率的最大化。这种新的技术可以使航空施药更加精确、更有效率。近几年来，包括全球定位系统、地理信息系统、土壤地图、产量监测、养分管理地图、航拍、变量控制器和新类型的喷嘴如宽频调制变量喷嘴等精准农业技术，进一步促进了航空应用技术的发展。机载遥感系统可以产生精确的空间图像用来分析农田植物的水分、营养状况，病虫害的状况;空间统计学可以更好地分析空间图像，通过图像处理将遥感数据转换成处方图，从而实现航空变量施药作业。因此，遥感、空间统计学、变量施药控制技术对于航空精准变量施药作业系统都是至关重要的［14］。

　　3.1遥感技术

　　近几年，随着一系列探测地球资源卫星的发射，卫星遥感技术已成为用于特定地点监测和管理作物生长状况的重要和有效的工具。一些商业卫星公司通过遥感技术提供不同的空间、光谱特性和分辨率的卫星影像，再利用这些动态变化的卫星影像来监测作物长势，并对作物产量进行预测。卫星遥感技术虽然在成像幅度和成像摆角等方面有显著优势，但是也有很多不足，例如确定这些系统的光谱波段、飞行位置以及高度和采集时间是很困难的。随着地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)、图像处理技术和数码摄录技术的发展，开发高效的航空遥感系统来克服卫星遥感系统的不足，成为一种新趋势。

　　3.2遥感飞机

　　航空遥感系统的飞机主要以小型农用飞机和无人驾驶直升飞机为主。图3所示为USDA-ARS大面积病虫害管理研究中心航空应用技术团队用于航空遥感系统的飞机。其中图3a为空中拖拉机公司生产的402-B型农用飞机，装载一个整合的气象系统，实时地测量和记录风速、风向、温度、湿度以及压力。图3b为Cessna公司生产的206型农用飞机，主要用于航空遥感系统，机载系统包括:数码相机、多光谱相机、TerraHawk遥感系统(图4)。图3c为Rotomotion公司生产的SR20型和SR200型无人驾驶直升飞机，其中SR20使用电池供电飞行时间约为25min，可以承载2.25kg的载荷;SR200使用汽油燃料提供动力飞行时间可达到1h，可以承载约22.5kg的载荷。两种机型都可以通过软件实时控制飞行路线，或者按照预先设定好的路线飞行。图3d为AgHusky农用飞机，同样是Cessna公司生产的产品，装载了一个GPS导航系统和变量控制系统，主要用于变量航空喷洒技术的研究。

　　4研究趋势

　　目前，美国等发达在农业航空技术方面的研究热点，主要有以下3个方面。

　　4.1图像实时处理系统

　　图像的实时处理可以弥合遥感和航空变量喷洒的差距。数据的采集和处理是精细航空喷洒的重要部分之一，无论是空中图像采集、地面传感器及仪器的监测、人们的观察，或实验室样品的检测，其数据分析必须正确，这样才便于更好地了解因果关系。为了能准确地绘制航空变量喷洒的地图，收集实时的多光谱图像是一个挑战。研究的最终目标是建立一个界面友好的图像处理软件系统，旨在快速分析空中图像的数据，以便于在数据采集后可立即进行变量喷洒。

　　4.2多传感器数据融合技术

　　多传感器数据融合技术可以把不同位置的多光谱数据、多分辨率数据、环境数据、生物数据加以综合，消除传感器间可能存在的冗余和矛盾的数据互补，降低其不确定性，形成对系统的相对完整一致的感知描述，从而提高遥感系统决策、规划、反映的快速性和正确性，降低决策风险。

　　4.3变量喷洒系统

　　目前，现有的商业变量喷洒控制设备成本高并且操作困难，因此在应用方面受到限制。所以需要开发一种经济的、应用软件界面友好的整合系统，可以实时处理空间分布信息并指导在有效面积上的喷洒作业。此外，喷嘴的设计应达到释放最佳雾滴大小的目的，并提供最大的应用效果，尤其是喷嘴的大小应根据适当的压力界限而设计，同时可以调节喷嘴的最佳压力范围。精确的航空喷洒作业系统使得农药的利用更加合理和有效，从而满足农民的要求，达到节能环保的目的。

　　5结束语

　　随着精准农业技术的应用，农业航空发展空间更为广阔。病虫害管理和农药使用更合理，对环境影响更小。学习并借鉴先进的技术和经验，对推动我国农业航空的发展具有积极作用。

　　参考文献

　　1BillKilroy．Aerialapplicationequipmentguide2003［M］．Washington，D．C．:USDAForestService，2003:59～62，143～147．

　　2ASABES572．1—2009．Spraynozzleclassificationbydrop-letspectra［S］．ASABE，2009．

　　3KirkIW．Measurementandpredictionofatomizationparametersfromfixed-wingaircraftspraynozzles［J］．TransactionsoftheASABE，2007，50(3):693～703．

　　4HewittAJ，MaberJ，PraatJP．DriftmanagementusingmodelingandGISsystems［C］∥ProceedingsoftheWorldCongressofComputersinAgricultureandNaturalResources，2002:290～296．

　　5TeskeME，ThistleHW．Aerialapplicationmodelextensionintothefarfield［C］∥ASAEAnnualMeeting，2003，PaperNo．034019．

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