精准农业航空--助力农业低空绘新景

　　1、总体介绍

　　机械化植保是确保我国病虫草害有效防控的必要支撑，针对当前传统植保机械作业效率低、成本高、特殊农田条件行走困难、人员易中毒等严重制约产业发展的问题，在十三五国家重点研发计划(地面与航空高工效施药技术及智能化装备，2016YFD0200700)、广东省科技计划重点专项(无人智能技术，2017B010117010)、广东省科技计划项目(2015B050501009)等项目支持下，研究团队率先在我国开展精准农业航空喷施关键技术及装备的攻关工作。攻克了植保无人飞机施药技术与主要作物病虫害防治要求不匹配、航空喷雾作业难以精准喷施、施药作业模式难以大规模推广等问题和难点，创制出具有自主知识产权的适应我国复杂农田作业条件的系列喷施技术装备，并制定了标准规范，促进了无人飞机喷施技术进步与规范管理，推动了机械化植保技术与装备升级换代及我国精准农业航空技术的发展，推动了无人机装备与技术在农业植保领域中的应用，为农业低空经济的发展打下了坚实的基础。技术路线如图1所示。

　　图1 技术路线图

　　2、主要做法

　　针对影响植保无人飞机喷施效果及推广应用的关键问题，在雾滴飘移基础理论、关键部件、关键装置、关键技术以及作业规范/标准等方面开展了创新性研究。联合美国农业部农业研究服务署农业航空应用技术中心(USDA-ARS-AATRU)、澳大利亚昆士兰大学(University of Queensland)农药应用和安全中心等国外先进的农业航空应用技术研究机构，围绕精准农业航空理念，共同开展农业航空遥感、航空精准施药等相关理论、技术及装备的创新研究。

　　(1) 航空喷施雾滴的飘移与沉积理论上的创新

　　针对植保无人飞机施药缺乏基础理论指导问题，在航空喷施雾滴漂移与沉积的理论上进行了创新研究。

　　针对航空施药可能造成的环境污染问题，创立了单旋翼/多旋翼农用无人飞机的旋翼风场模型;创新性的提出了一种以实际有效喷幅判定结果作为飘移区域边界起始位置参考进行雾滴飘移量累加分析的方法，在国内首次提出旋翼下洗气流及农田高温高湿环境耦合作用下的雾滴飘移预测模型;揭示了多旋翼无人飞机旋翼下方风场对雾滴沉积分布的影响机理，从药液性质参数入手，详细分析了雾滴在水稻叶片的润湿铺展性质，为无人飞机植保改善雾滴沉积、提高农药的有效利用提供了理论依据。

　　(2)在喷雾技术与装备领域的创新

　　探明了无人飞机喷施条件下的雾滴粒径分布特性，并在国内首次基于航空风洞测试技术构建了适用于植保无人飞机的多种型号航空喷头粒径决策模型;深入探究了药液流经喷嘴内部的流体动力学行为，以及不同喷嘴的雾化特性，发明了多种类型的无人飞机专用低空低容量雾化喷头;明确了无人飞机精量化施药参数，将人工神经网络方法应用于喷施作业领域并开发了航空变量喷施系统和变量喷洒技术，实现了喷施雾滴精确对靶、喷量可调、变量易控、沉积均匀、减少飘移等效果。

　　(3)无人飞机飞防作业模式的创新

　　为保证植保无人飞机施药安全和飞防药效，从适用机型、作业质量评估、优化作业参数、作业模型等多个方面，持续研究了我国水稻、小麦和棉花等主要农作物的飞防技术，创新性地构建了植保无人飞机对主要农作物的施药作业模式，为行业植保无人飞机的发展指明了自动化、智能化的方向;基于长期持续的试验和研究，起草和制订了我国首部植保无人飞机对棉花脱叶剂喷施作业的农业行业标准，规范了作业模式，保证了作业效果，促进了行业有序发展，为农业低空经济的蓬勃发展打下良好基础。

　　(4)植保无人机系统技术改进和升级

　　根据实际应用反馈，不断对植保无人机进行改型和性能优化，并增加了自主避障、智能路径规划等新功能，并向大载荷、多用途发展(喷洒、播撒、运输、航测等)，以进一步满足多样化的农业应用需求。研发关键部件得到了应用(1)窄雾滴谱系列航空喷嘴：已全面集成到植保无人机中，提升了药液雾化和喷洒性能。(2)高转速轻量化液泵：优化了液泵的重量和效率，提升了无人机的续航能力和负载性能。(3)恒压防滴喷雾装置：解决了传统喷雾装置易滴漏的问题，确保了施药过程的均匀性和安全性。(4)无人机手机APP客户端：与无人机系统深度融合，提供了实时监控、数据分析、远程控制等功能，方便用户进行作业管理和决策支持。同时，基于长期的项目应用积累及新的技术进展进行标准制定与升级，参与修订和制定了多项行业标准，为推动农业航空植保领域规范化持续发力(如：NY-T 3893-2021遥控飞行喷雾机棉花脱叶催熟作业规程、NY-T 4260-2022植保无人飞机防治小麦病虫害作业规程)。

　　(5)培养农业低空经济领域人才

　　研究团队以国家重点研发项目为契机，利用科研项目共培养毕业研究生百余名，其中博士研究生20余名;培训农业企业和合作社技术人员达5616余人。此外，团队负责人的《精准农业航空技术及应用》入选“学银在线”公开慕课;联合广州极飞在“极飞学院”推出的15期“精准农业航空专栏”，培训学员10余万人，主编《农用无人机100问》等科普读物和培训教材3部;并多次在广东新会、从化、肇庆等多地开展专题讲座，培训合作社人员及飞手3万余人，助推行业发展。连续8年为研究生和本科生开设课程并进行全英教学。其中《小型飞行器基础》入选国家级一流本科课程，主持获得华南农业大学教学成果奖;指导成立我国第一个农业类院校的无人机航模协会，打造其成为国内无人机航模强队。获得国家级和省级大学生创新创业项目26项，获得各级无人机竞赛奖励50余项。

　　(6)开展国际化交流合作与技术推广

　　积极在全世界开展精准农业航空应用技术合作、交流与推广，目前已分别在美国、澳大利亚、加拿大、英国、法国及巴基斯坦设立国际分中心，在人员培训、航空施药联合试验、农业航空关键技术与装备研发等方面开展合作;并积极主办了国际精准农业航空会议、世界无人机大会、广东中衡山世界智慧农业论坛、中欧科学农业智库研讨会等多项重大会议，创办了国际精准农业航空学会和国际精准农业航空学报;而且中心已与20家国内外知名农业航空和药剂企业建立产学研合作基地，共同开展大面积联合施药试验的研究与推广。承办“一带一路”国家精准农业航空技术国际培训班，来自巴基斯坦、巴西、阿根廷、德国等20多个国家百余名学员参加了培训，分享我国精准农业航空技术和实践经验，促进精准农业航空技术研究成果的国际化交流与推广。

　　(7)结合“低空经济”持续推动成果落地

　　近年来，低空经济作为经济发展的新兴领域，得到了国家和地方政府的高度重视。低空经济的发展涵盖了包括无人机技术在内的多种低空领域应用。农业领域的低空技术，尤其是农业航空，在提升农作物产量、优化资源配置、推动绿色农业方面展现了巨大潜力。通过无人机及相关装备的应用，农业植保、播撒、信息监测等环节更加智能化和精细化，大幅提高了作业效率和作业精度。

　　在中心主任和首席科学家兰玉彬教授的带领下，国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心依托前期项目积累的技术优势，引领国内外精准农业航空技术与装备的创新与发展，推动了精准农业航空技术在农业低空经济中的广泛应用。相关技术与成果在《农民日报》上进行报道。

　　3、取得成效

　　(1)在科技创新、技术传授、人才引育、对外科技交流与合作等方面取得显著成效

　　针对植保无人飞机对主要农作物病虫害的防治缺乏无人机配套的喷施技术、航空喷雾作业难以精准喷施、施药作业模式不规范等问题,从植保无人飞机航空喷施雾滴沉积与飘移理论、喷雾关键技术、关键部件与装备、施药作业模式等方面进行了研究和创新,研究成果得到了广泛应用，主持完成的科技成果“植保无人飞机精准喷施关键技术创新与应用”，经院士专家评定为国际领先水平。十三五重点专项科研成果受邀参加国家科技创新成就展。主要成果如下：

　　图2主要成果内容

　　(2)农业航空平台建设和科学研究获得多部门的支持和认可

　　2020年10月，广东省农业农村厅、广东省工业和信息化厅、广东省发展和改革委员会、广东省科学技术厅、广东省市场监督管理局等5个厅局共同发文，将依托国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，打造“粤港澳大湾区农用无人机产业高地”

　　(3)农业航空技术得到广泛推广与应用

　　在中心首席科学家兰玉彬教授的带领下，研究中心依托相关项目积极推动农业航空技术的实际应用，国内植保无人机的保有量和作业亩次大幅度上升：从2014年700架到2024年25万架，作业亩次从400万亩次到26.7亿亩次;我国已成为全球农业无人机保有量和应用面积最多的国家，航空植保在农药减施增效上取得了显著的成效。