精准农业航空植保技术

第1章绪论 精准农业航空植保技术利用各种技术和信息工具来实现农作物生产率的*大化，这些技术和信息工具包括机载遥感系统、空间统计学、变量喷施系统、精准导航系统、地面验证技术等。机载遥感系统可以产生精确的空间图像，用于分析农田植物的水分、营养状况、病虫害状况；空间统计学结合数据可以用于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；变量喷施系统根据已给出的作物处方图及航空喷施雾滴沉积模型控制喷施过程中的施药量；精准导航系统根据需作业区域地图规划出施药作业的航路图，准确地使飞机沿着规定路线施药，有效避免重喷和漏喷；地面验证技术可通过地面的雾滴沉积结果来对航空喷施作业的决策进行设计和指导。通过以上技术和信息工具的结合使用，可以有效实现针对农田作物的精准决策、变量喷施（图 1-1）。 图 1-1 精准农业航空植保技术 1.1 精准农业航空植保技术发展现状 1.1.1 国外农业航空施药设备及施药技术发展现状 1.1.1.1 国外农业航空施药设备发展现状将航空设备应用于农业是由德国首先提出并实际应用的。 1911年，德国林务官阿尔福莱德 齐梅尔曼在世界上首次利用有人驾驶的飞机喷洒液体和粉末农药，以防治森林病虫害。 1918年，美国**次使用有人驾驶飞机喷施农药灭杀棉花虫害。自此，开辟了农业航空的历史，随后加拿大、苏联、德国和新西兰等国将飞机用于农业。在经历第二次世界大战后，大量的退役航空设备开始应用到农业航空方向，通过将由药桶、风扇搅拌器和喷洒装置等组成的喷洒系统改装在大量轻型双翼飞机上来实现农业喷洒，为农用航空的快速发展奠定了基础。与此同时，全球粮食需求的增加、农药产品的发展以及病虫草害快速高效防治方式的需求，都在一定程度上推动了农业航空的发展。 1. 美国农业航空发展现状与管理机构 （1）美国农业航空的发展情况 作为农业航空技术发展*早的国家之一，美国农业航空作业项目主要包括播种、施肥、施药等。由于美国的农场经营规模大，多采用现代化的精准农业技术，如 GPS自动导航、施药自动控制系统、各种作业模型等。在现代化精准农业技术的支持下，美国的农业航空作业具有高效、环境污染低且作业精准的特点。美国目前已拥有农业航空作业服务公司 1625家、农业飞机和航空材料生产厂 500多家、大型农业飞机制造企业 4家，其中空中拖拉机公司（ Air Tractor， Inc.）的产品占据农业飞机市场的大部分份额，飞机价格在 100万～ 140万美元。美国农用飞机有 20多个品种， 88%为固定翼飞机，载重量为 0.5～ 1.5t。美国农业航空服务重要的特点是具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，协会一方面为会员提供品牌保护、继续教育、安全计划、农林业与公共服务业方面的联系和信息服务，另一方面积极开展提高航空应用效率与安全性方面的研究和教育计划。全国实际在用的飞机有 4000多架，在册的农用飞机驾驶员 3000多名，平均具有 25年的职业经历，人均飞行时间大于 10 000h，年处理耕地面积近 0.33亿 hm2，占总耕地面积的 40%以上，森林植保作业 100%采用航空作业方式，航空植保作业效率可达 100hm2/h以上，农业飞机都配备精密仪器和设备如流量控制设备、实时气象测试系统和精确喷施设备。美国农业航空对农业的直接贡献率为 15%以上，且美国政府大力扶持农业航空产业，国会通过了豁免农用飞机每个起降 100美元的机场使用费的议案， 2014年白宫的预算中投入了 73亿美元支持该议案，以降低农业航空作业的成本。美国政府大力投入农业航空相关科技研发，自 2010年以来已投入约 700万美元用于农业航空技术研发，进一步推动了农业航空技术与产业发展。 （2）美国农业航空的管理机构 在美国，与农业航空有关的机构主要包括美国国家农业航空协会（ National Agricultural Aviation Association，NAAA）、美国联邦航空管理局（ Federal Aviation Administration，FAA）、美国环境保护署（ U.S. Environmental Protection Agency，EPA）、美国农业部（ United States Department of Agriculture，USDA）。与农业航空相关的重要科研机构有美国农业部南方平原研究中心（ United States Department of Agriculture Plains Agricultural Research Center，USDA-ARS）等。 1）美国联邦航空管理局美国联邦航空管理局（ FAA）是美国国内空域内运行的所有航空航天飞行器、机场设施等的管理机构，是美国的国家行政机关，其制定的法规具有法律效力。 FAA在 2015年 2月 15日发布了无人机管理条例—Part 107—Small Unmanned Aircraft Systems（《第 107部分：小型无人飞机系统》），《第 107部分：小型无人飞机系统》基本包含了 FAA所有关于小型无人飞机系统的管理条例。此外， FAA还制定了与无人机、农用航空有关的规定：Part 48—Registration and Marking Requirements for Small Unmanned Aircraft（《第 48部分：小型无人飞机的注册和标识要求》）、Part 137—Agricultural Aircraft Operations（《第 137部分：农用飞机作业》）等。 在美国，有人驾驶农用飞机基本按照《第 137部分：农用飞机作业》中的要求进行管理。 2015年 5月，FAA批准了 218磅（1磅≈453.59g）重的日本农用无人机雅马哈 RMAX的农业航空应用［雅马哈 RMAX无人机已超出小型无人机 55磅（25kg）的重量范围，不适用《第 107部分：小型无人飞机系统》］，并豁免了《第 137部分：农用飞机作业》中的某些条例，这是 FAA首次允许商业航空应用不需要商业飞行员驾照。 2）美国国家农业航空协会 美国国家农业航空协会（ NAAA）成立于 1966年，在 46个州约有 1900名会员。 NAAA为会员提供网络服务、教育、政府联络、公众联络、招聘和信息服务等农业航空应用方面的一条龙服务。 NAAA是非国家机构，也不制定农业航空政策，但是可以记录农业航空发展方面出现的问题，并为 FAA的政策制定提供建议。 NAAA与国家农业航空研究和教育基金会（ NAAREF）一起提供针对提高航空应用效率和安全性的研究及教育项目。另外， NAAA还提供农业航空的公共扩大服务，向公众传达航空应用在农业、林业以及公众福利方面的重要性。 3）美国农业部 美国农业部（ USDA）虽然是政府部门，但是对农用飞行器并没有管辖权， USDA会通过研究项目来调查分析农业航空施药等对环境、动植物产生的影响，以及进行农业航空技术创新，提升农业航空在农业、园林和林业等方面的应用效率。例如， FAA与 USDA合作统计得到 1990～ 2012年民用飞机发生了超过 131 000起攻击事件， 97%是由鸟类和飞机碰撞造成的，其中有 25起人类死亡事件。 2. 日本农业航空发展现状 （1）日本农业航空的发展情况 与美国不同，日本以及东南亚各国农民户均耕地面积较小，且地形多山。 1960～ 1980年的 20年间，日本植保作业主要采用有人驾驶飞机，但由于坠机事故多次发生和由农药飘移带来的环境污染等突出问题，自 20世纪 80年代（ 1983年）开始日本投入大量研究资金， 1987年研究出了世界**台工业用无人机，并于次年开始限量出售。从 1990年日本植保无人机保有量的 106台，到 1993年的 307台，年均增长 67台；1994～ 2005年的 11年间，年均植保无人机增长量为 179台；2014年植保无人机保有量为 2694台，2006～ 2014年年均约增长 65台。由此可以看出，日本植保无人机在 20世纪初经历了飞速发展阶段。日本植保有人机、无人机作业面积对比如图 1-2所示， 1995～ 2012年植保有人机作业面积逐年降低，植保无人机作业面积逐年递增，尤其是在 2003年植保无人机作业面积首次超过植保有人机。 （2）日本农业航空的管理机构 日本农用无人机管理涉及两个政府部门：一是农林水产省及下属地方农政局，二是国土交通省航空管理局。另外，还有一个协会，即农林水产航空协会负责提供和发布相关信息。 图 1-2 日本水稻田航空喷施发展状况 1）农林水产省日本农业管理为两级行政机构管理模式：农林水产省和地方农政局，*高管理部门为农林水产省。 农用无人机植保作业在农林水产省层面划归消费安全局管理，在地方农政局中设有消费安全局长，下辖消费生活科长、表示规格科长、流通监视科长、安全管理科长。无人机植保作业管理相关政策由农林水产省（消费安全局长）发布。 对植保无人机作业进行管理的《无人机植保农药喷施利用技术指导准则》（28消安第〔1118〕号）发布于 2016年 5月 31日，其中对“宗旨、无人机相关术语定义、与农药喷施相关的机构和协会、空中施药的实施细则、根据航空法的规定申请实施作业、事故发生时的对策、操作者资格、药液喷施后的药效、空中施药药效统计表，以及相关信息的收集整理”等做出了细致明确的规定，并在技术准则中制定了一系列相关的规范及作业规程，具体如下。 空中施药作业计划书，包括施药者和雇主的信息、施药机型、施药地点、作物名称、施药面积、施药量、作业飞机数量及施药量等具体细节。无人机植保作业空中施药事故发生报告书，该报告书要求详细记录施药过程所发生事故的具体情况、事故应对措施、事故原因分析以及再发生事故对策。无人机航空施药作业实施效果评估报告，该报告由农户和作业者共同确认并提交地方农政局。该准则对航空植保空中施药作业计划书及无人机航空施药作业实施效果评估报告的提出程序做了详细规定，见图 1-3和图 1-4。 2）国土交通省航空管理局 日本的无人机植保空中施药业务也受国土交通省航空管理局管理，因此农业航空植保空中施药飞行许可相关的政策文件是由日本国土交通省航空管理局局长和农林水产省消费安全局长联合发文。 例如，无人机农业航空植保空中施药飞行许可法令文件国空航第〔 734〕号、国空械第〔1007〕号、 27消安第〔 4546〕号等，是由日本国土交通省航空管理局局长和农林水产省消费安全局长联合发文。该法令明确了申请的手续、申请记载事项的确认，申请内容包括申请者姓名、无人机概况、飞行路线及目的、飞行高度等，以及飞行施药效果评估报告、作业领域的通告等。 图 1-3 航空植保空中施药作业计划书制定流程图 图 1-4 无人机航空施药作业实施效果评估报告制定流程图 3）农林水产航空协会 在日本和植保无人机相关的社会团体有农林水产航空协会，与其有联系的单位：无人机制造企业（如雅马哈发动机株式会社）、农药制造商（如日本农药株式会社、日产化学工业株式会社等）、农林水产省农药对策科、农药工业会、日本植物防疫协会、全国农药协同组合、独立行政法人农林水产消费安全技术中心农药监察部等。 农林水产航空协会通过自己的网站提供信息，包括农药登录信息、农业航空植保无人机操控及施药关键技术、政府出台的相关法令和通知，以及农药中毒处理方法等。 3. 韩国农业航空发展现状 韩国国内的航空器由韩国国土交通部管理，根据韩国现行航空法，无人机在日落后至日出前的时间段内、机场管制区和禁飞地区、飞行高度在 15