美国精准农业航空的技术现状与发展趋势(上)
美国精准农业航空的技术现状与发展趋势(上)
植保资讯
2018-08-23 10:14
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2018-08-23 10:14
美国精准农业航空的技术现状与发展趋势(上)



大家好!我是兰玉彬。很高兴受邀作为极飞学院的特聘专家,来这儿跟大家分享农业科技方面的最新知识,以及我对中国农业未来的一些思考。


我们知道,美国是目前农业航空装备技术最先进、应用最广泛的国家。上周有同学问到,美国农业航空技术有哪些值得学习的地方。今天,我们就来聊聊美国农业航空的服务现状和技术发展情况,了解美国农业航空迅速发展的驱动力,希望对我国的农业航空发展有一定的借鉴意义。

 

不方便阅读文字的同学,可以点击下面的音频收听来自 Justin 的转述。


 


美国农业航空服务的现状

 

美国农业航空的发展已有 100 多年的历史,从 1906 年,俄亥俄州使用飞机喷药进行牧草除虫开始,航空技术在美国农业生产中就不断得到推广应用。

 

目前,美国农业航空的作业项目主要包括: 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,能够有效控制爆发性病虫害; 且不受作物高度、长势的限制,尤其利于作物生长后期的作业。与使用地面机械进行作业相比,使用农用飞机还有降低成本、不损坏农作物的优势,因此非常受美国农场主的欢迎。

 

美国的农用飞机品种众多,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,大型的农用飞机载重 1.5 吨,中小型为 0.5 ~ 1 吨。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,农业航空年处理耕地面积约 3400 万公顷,占美国年处理耕地面积的 40%。而森林植保作业更是 100% 采用航空作业的方式。

 

美国农业航空服务一个重要的特点就是,有强大的农业航空组织体系,包括国家农业航空协会和近 40 个州级农业航空协会。协会的会员主要包括企业业主和飞行员。这些协会有四个主要任务:一是提供品牌保护等信息服务;二是开展提高航空应用效率与安全性方面的研究与教育计划;三是推进与政府部门(如美国联邦航空管理局FAA、环境保护署、农业部等)和科研机构的联系与合作;四是组织农业航空年会,为会员提供新产品、新技术发布平台和交流机会。


这些协会在美国已经非常成熟,几乎每天在各个地方都有各种各样的农业航空相关会议和技术交流的召开,农民也可以比较方便地去参加这些会议,了解更多关于农业航空方面的最新动向。



美国农业航空的几个关键技术

 

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,能适合不同的作业需求。随着精准农业技术手段,比如 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。

 

接下来,我为大家介绍几个农业航空施药的技术和发展情况。

 

GPS 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 是非常普遍的装备,部分农用飞机还配备流程控制、实时气象监测系统和精确喷洒设备。在施药作业之前,规划人员会通过手持 GPS 来测量和确定需要作业的区域和边界,在 GPS 接收器上形成一个施药区域地图。GPS 再规划出相应的航线图,并使飞机沿着规定路线施药。这就类似于极飞 P20 的喷洒作业流程,但是它的施药规模会更大。当药箱中的药液不够时,GPS 会记录结束喷药的关闭点,等药液重新加载完成后,飞机会从关闭点继续开始施药,也就是我们通常说的“断点续喷”技术。

 

大多数 GPS 系统在驾驶舱内都有一个液晶显示屏,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以及修正。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。

 

航空喷嘴

 

根据雾化方式的不同,美国主要有两种类型的航空施药喷嘴——液力雾化喷嘴和旋转离心雾化喷嘴。

 

典型的航空施药液力喷嘴是 CP 喷嘴(直线喷嘴)系列,多头 CP 喷嘴可以提供多种孔径。飞行员可以在飞机起飞前,通过旋转喷嘴座来改变喷量,以及通过快速调节喷杆,让喷嘴角度向前或向下改变,进行喷洒方向和喷幅的调节。

 

旋转式离心雾化喷嘴主要用于低量施药,它的特点是可通过调节旋转速度控制雾滴直径;它是大流道结构,不易堵塞,适合可溶性粉剂和悬浮剂等药液的喷洒作业。


极飞 P20 高速离心喷头


航空喷嘴模型


美国农业部航空应用技术研究中心研究出一种航空喷嘴喷洒模型,通过喷嘴的电脑模型,可以清楚地了解喷嘴产生的雾滴情况,以便选择并设计合适的作业参数。喷嘴模型可以通过喷嘴型式、喷雾压力、气流速度和喷雾药液, 来预测将会产生的喷雾效果。目前,航空喷嘴模型不仅能给用户提供作业依据,还可以作为政府监管部门评估喷雾作业雾滴谱范围是否符合农药使用标签规定的依据。

 

航空飘移预测模型

 

美国政府十分重视农药喷洒作业中雾滴飘移引起的环境污染问题,对于航空施药的安全区域,已有明确的法律条文规定。目前,飘移模型已成为决策是否允许航空施药和处理相关纠纷的重要手段。

 

20 世纪七八十年代,美国林业局就开始用计算机模型来分析和预测航空施药中雾滴飘移、沉积情况。最早的模型是用于研究天气因素、蒸发情况和冠层穿透对沉积分布的影响,从而制定施洒作业方案和对环境风险进行评估。模型进一步发展,用户可以输入喷嘴、药液、飞机类型、天气因素等因素,通过调用内部数据库,预测可能产生的飘移。现在,航空飘移预测模型已经越来越完善,能够进行有效、准确预测的范围不断扩大,还通过与地理信息系统的结合,达到优化喷施策略、减少农药飘移损失的目标。

 

航空静电喷雾技术

 

静电喷雾技术可以增加雾滴在靶标上的沉积,减少农药飘移,在温室、果园等地面喷洒作业中已经有许多成功的应用案例。近年来,美国多个研究机构对航空静电喷雾系统的作业效果做了一些评估试验。试验结果表明,航空静电喷雾系统可以有效减少施药量、提高药液沉积量,但是对提高病虫害防治的效果、减少下风处的喷雾飘移影响不大。但是,由于美国农药标签规定施药量大于静电施药量,航空静电喷雾系统的价格与应用效果等方面的问题,使得这项技术还没有得到广泛应用。


航空静电喷头 


航空变量施药技术

 

航空变量施药技术,是将不同空间单元的数据与多源数据(比如土壤性质、病虫草害、气候等) 进行叠加分析,再根据不同地块的不同需求,有针对性地进行喷洒作业。


变量施药技术听起来比较复杂,其实就是事先对需要喷洒的地块进行遥感测量,再来判断哪些地块需要多少的喷洒量,然后在软件中将这些数据转换为喷洒量的处方图。飞机的变量喷洒系统就会根据这个处方图进行喷洒,进而控制农药的使用量。也就是我之前在文章中提到过的,病虫害严重的地方多喷,病虫害轻微的地方少喷。

 

由于航空变量喷洒系统的应用时间还不长,目前关于农药投放和变量系统反应精确度的信息还不够多。所以,航空变量喷洒技术还在进一步完善中,要得到大规模的应用,还需要一段时间。

 


和美国相比,我国在农业航空的研究和应用方面还是比较滞后。但是,农业航空作为农业生产的一个重要组成部分,以及反映农业现代化水平的重要标志之一,已经引起了政府部门和国内许多专学者的高度重视。近年来,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,我国的农业航空将得到迅速发展。


下一期,我将继续为大家深入介绍美国在精准农业航空领域的关键技术,以及它们未来在全球的发展趋势。而这些趋势,将与我国的航空植保技术发展息息相关。


在此,我也欢迎大家提出自己的疑问,一起来探讨关于精准农业航空的话题。


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