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淺談2021年度農業無人機行業發展現狀與趨勢

作者:程忠義 本站發布時間:2022年01月14日 收藏

  前言

  2021年已經過去,距離2016年“飛防元年”已近6年。曾幾何時植保無人機是一個稱不上行業的小眾產品,有很多人提出這樣的疑問:“植保無人機到底有沒有用,飛防還能走多遠?”。歷經無數飛防人的艱辛與汗水,我們用累計30億畝次的作業量告訴所有人、植保無人機不僅可以,而且是大勢所趨。

  曾經我們稱之為“植保無人機”,因為它原本絕大多數的作業目的是植保,2021年,全國播撒作業實現1億多畝次,讓我們明確它的作用不只是在植保。這一次,我們重新審視它,應當稱之為“農業無人機”。

  農業無人機到底還能走多遠,應用技術出現了哪些變化,發展方向有何趨勢。帶著這些問題,我們一探究竟。

  一、國內應用數據概覽  

  1.行業整體增速80%

  國內農業無人機保有量第一次突破10萬臺,達到16萬臺;作業面積超過14億畝次。

作業量與設備保有量曲線圖

  2.飛防滲透率80倍的巨大差異

  新疆2021年飛防滲透率達到80%,即登記在冊的耕地絕大多數都使用過農業無人機服務,這說明大面積、平原地區、農業人口少的地區,往往更有利于農業機械化發展。

  重慶市2021年飛防滲透率只有1%,這說明越是丘陵山地、地塊面積小、土地流轉弱、人口多的地區農業機械化越難以發展。地塊規模較小,傳統方式作業即可滿足;地塊零散,高效農業機械也難以開展。

各地飛防滲透率數據   

  80倍的巨大差異,充分說明了我國地域遼闊、區域情況差異極大的現狀,另外一方面也說明部分地區仍具有一定的發展潛力。

  注:飛防滲透率——該地農業無人機作業覆蓋的面積除以當地的總耕地面積

  3.黑龍江播撒面積超過1億畝次

  播撒應用最早來源于日本使用農業無人機播撒顆粒除草劑,國內在2017年開始有少量的播撒油菜籽等應用。隨著大疆農業在2019年推出T20播撒系統,播撒應用快速發展,主要應用方向為水稻肥料播撒、種子播撒。

  2021年,僅黑龍江播撒總作業面積已達1億畝次(僅大疆農業無人機數據),近50%左右的水稻肥料由農業無人機進行播撒。農業無人機播撒肥料避免了高強度體力勞動,受到了水稻種植戶的極大歡迎。預計2022年,全省水稻農業無人機肥料播撒還將獲得高速增長。

農業無人機播撒應用范圍

  二、新應用場景

  果樹與播撒是2021年飛防兩大關鍵詞,除了播撒作業得到超速發展外,果樹在2021年也迎來了新的階段?! ?nbsp;

  1.果樹應用

  我國是全球最大的水果生產國家,種植面積和總產量均為世界第一。如果能達到大田作物的飛防滲透率,則果樹飛防前景不可限量。但是果樹相對于水稻小麥等大田作物具有植株高、冠層厚、地形陡峭(南方山地果樹尤其突出)的特點,農業無人機要實現良好的作業效果,任重而道遠。

  農業無人機要在果樹區良好應用,應實現以下幾個性能指標:

  1)實現自動仿地,也就是能夠在陡峭的山地實現固定相對高度的飛行;

  2)實現霧滴的良好覆蓋,并且空地應實現不噴灑;

  3)避免過高濃度的藥液或強大的風場對果樹和果實產生損害。

  要解決自動仿地的問題,以往方案往往是通過測繪無人機提前航拍并電腦建圖從而獲取三維模型,并最終產生三維航線。這種方式的優點是精準度較高,能夠識別障礙物,缺點是成本高(需另購測繪無人機、高配置電腦)、流程復雜。

果樹模式作業流程

  所以隨著農業無人機植保、測繪一體化,果樹的作業方式在這兩年發生了巨大變化,一個趨勢是農業無人機使用視覺識別,對于不算陡峭的果樹可以直接作業,無人機自動進行識別并仿地。而對于比較陡峭的果樹,則使用農業無人機進行航拍并通過遙控器進行重建與運算,產生的結果直接調用即可作業。

農業無人機航測建圖并執行果樹作業

  要解決的第二個問題是,霧滴均勻覆蓋,這是相對第一點更為困難的攻堅項目。類似柑橘、荔枝等果樹類型,如沒有實現有效修剪,往往冠層密閉,只是單純依靠風場強大并不能確保霧滴穿透到中下部。冠層在強大風場的壓迫下,往往會堆疊,更難穿透。為了解決這個問題,大疆農業2021年第一個嘗試是枝向對靶,也就是無人機兩側的機臂上翹一定角度,藥液從樹葉生長的方向吹向樹枝,形成霧滴迷宮,從而提升中下部的覆蓋效果。但是這個方案要求無人機從兩壟之間飛過去,對果樹種植方案有一定要求。

果樹枝向對靶技術

  另一個方向是采用更細的霧滴、更大的流量從而提高霧滴整體的數量和中下部霧滴的數量。采用離心噴灑系統能夠支持更大的流量,如大疆T40農業無人機流量可達12L/分鐘,同時最細霧化粒徑可達到50μm。更為細小的霧滴能夠產生煙霧懸浮狀態,能夠彌漫在果園,從而實現更大面積的覆蓋。

雙重霧化離心噴灑系統霧化效果

  目前果樹飛防還處在發展早期,相應的技術還處在高速迭代階段,但隨著作業效果被越來越多人接受,相信在未來的2-3年內,每年都會實現翻番增長。

  2.播撒應用

  農業無人機播撒機廣泛應用于水稻、小麥、油菜、草籽等播撒。但最為典型的應用還是水稻的種植過程。以整個種植過程來看,涵蓋的環節包括底肥播撒、種子播撒、追肥播撒、殺蟲殺菌、除草,完整地覆蓋了水田翻整到收割前的全部工作,成為水稻種植不可或缺的高效生產工具。

全程農業無人機作業的水稻

  底肥用量大,無人機播撒優勢不明顯,但因為勞動強度低已有一定的應用。追肥畝用量不高,在水稻區優勢明顯,目前增長迅速。水稻種子播撒也就是水稻直播,在黑龍江也被稱為“漫撒”,屬于水稻種植方向的新趨勢,具有省工、降低種植成本、提高種植收益的特點。以黑龍江漫撒直播為例,水稻漫撒減少了育秧、插秧等工序。雖然由于生長時間減短,產量有所降低,但是因為減少了工序,總收益會有一定增加。2021年12月底,筆者針對101位黑龍江地區的種植戶進行直播收益的調研,每畝收益平均增加了93元。

關于水稻漫撒產量的調研

  三、技術應用特性   

  1.噴灑應用特性

  農業無人機噴灑典型的特征是低容量、細小霧滴、具有一定高度,所以在具備節水、效率高、地形適應能力強的同時,存在比較明顯的飄移和蒸發問題。另外,因為國內往往存在3-4種藥劑同時桶混的情況,濃度高并且類型多,易發生桶混反應,造成藥劑失效。所以植保團隊應注意進行二次稀釋,并總結易產生反應的藥劑。

農業無人機性能特點

  2.現有植保方式綜合對比

  除人工噴灑方式外,目前我國主要的植保設備就是地面自走式植保機械和農業無人飛機,載人固定翼和直升機在黑龍江和新疆有一定存在,但作業量同比還比較低。農業無人機相對于地面機械在水田作物擁有絕對優勢,例如水田噴灑、播撒,甚至包括水塘、水庫都可以作業。其他有優勢的應用還包括山地果樹、高稈作物、封壟后的作物(能夠不傷作物的前提下作業)。

  相對于地面機械主要的劣勢在于包括需要大水量、對飄移敏感、對風場敏感的作業場景,例如小麥、玉米等旱田作物的封閉除草;玉米和小麥大豆混種區域的玉米除草作業(易發飄移藥害)??傮w來說,隨著農業無人機的高速發展,地面自走式機械的市場占比在下降。

   各種植保方式的綜合對比

  3.應用產生的問題

  農業無人機應用的主要問題是飄移性強,并且部分操作人員缺乏防控意識,每年發生大量飄移藥害問題。應明確飄移的影響因素、易發生飄移問題的作業類型,及時總結經驗,避免飄移事故的發生。

農業無人機飄移特性總結

  四、產品技術發展方向   

  1.機型與載重

  農業無人機早期機型都以10L為主,逐步發展到16L、20L、30L、40L,在一定范圍內,載重的增加有利于提升作業效率和效果,所以應予以肯定。不同地區、不同應用對于機型載重有著不同的要求,以應用范圍而言,果樹植保、播撒作業需求更大的載重,以保障效率和效果,而大田作物噴灑,往往并不需要大載重機型;以地區范圍而言,零散地塊更鐘愛中小機型,而規整大地塊更適用于大載重機型。

  2021年底,主流機型載重量已增長至40L、播撒50KG,相信在一定時間范圍內,機型載重不會再繼續上升。因為隨著載重的上升,已經產生以下弊端:1.單人難以搬運;2.風場過強,容易產生倒伏;3.充電功率超過7KW,單相電已難滿足,對電網要求更高。預計在3-5年內,國內將以20-40公斤的機型為主,各個地區根據自身的需要進行選擇。

  2.噴灑系統

  目前常見的霧化方式包括離心噴灑系統和壓力式噴灑系統(液力霧化)。壓力噴灑系統屬于常規霧化方式,優勢在于成本低、壽命長、穿透能力稍強,是地面植保機械的主要霧化方式,但是也存在霧化粒徑譜寬、粉劑適應性能力弱、粒徑與流量關聯等特性。離心式噴灑系統具有粒徑調節與流量脫鉤、流量大、粉劑適應性更強的特性,在果樹、高劑量粉劑作業、大流量場景更有優勢,但是離心噴嘴屬于向四周甩出,霧滴穿透性稍弱飄移性更強,另外其成本也高于壓力式噴灑系統。

兩種噴灑系統特性的對比

  離心噴灑系統在大載重機型、果樹作業更有優勢,可以提供大流量、細霧滴、適應粉劑作業(果樹作業粉劑比例較高,保護性殺菌劑使用較多)。而在中小載重機型,流量要求不高,低成本而長壽命的壓力式噴灑系統依然有其自身優勢。所以,從長遠看,兩種噴灑系統將會長期保持共存。

  從目前的趨勢來看,大于20L的機型選擇離心噴灑系統的比例在增加,而在20L以下機型,則仍有不少機型依然選擇壓力噴灑系統。

  3.定位技術

  定位方式最為普遍的是GNSS衛星定位,定位精度為米級,全球均有效覆蓋,簡單易用。在GNSS技術之上進行定位差分計算則為RTK高精度定位技術,能夠實現厘米級定位精度。RTK定位能夠帶來高精度作業,從而為精準作業帶來可能,也是建圖測繪、果樹作業、變量噴灑或播撒的基本前提。

  RTK目前主要有兩種布設方式,包括移動RTK基站和網絡RTK。移動基站需要另外購置RTK基站并且需要提前鋪設,但無論當地是否有網絡覆蓋都可以良好運用。網絡RTK是通過提前建設固定的RTK基站,并通過網絡通訊信號與無人機進行通訊,無人機聯網即可獲得高精度定位。網絡RTK的劣勢在于一旦本地沒有基站覆蓋或者沒有網絡通訊信號覆蓋,則無法正常使用。

網絡RTK的工作方式

  國內已經大規模建設網絡RTK基站,除了邊疆部分人口稀少地區已能夠實現大范圍覆蓋,成為農業無人機作業的首選。

  4.地塊規劃方式

  最早的地塊規劃方式是遙控器打點,也就是以打點器記錄坐標產生地塊,這種方式能夠在規劃地塊的同時熟悉地塊的障礙物等詳細信息,遙控器打點的缺點在于勞動強度高、效率低。飛行器打點是2017年推出的規劃技術,具有效率高、勞動強度低的特點,操作人員無需下地即可完成整個規劃,適合大塊田規整地區。這種方式對田塊和操作人員的技術水平具有一定要求。

  這兩年一個新的技術方向是使用農業無人機直接進行測繪,也就是無人機植保和測繪一體化,采用航拍-重建獲取高清圖,然后在遙控器上直接采用十字準星打點,適合比較規整的區域。具體的實施方式在第二章已經說明,不再贅述。

  五、基于無人機智慧農業應用

  農業的發展首先需要獲得規?;?,其次才能實現機械化,而在實現機械化之后,農業生產還需要向智慧農業進一步發展。智慧農業的本質是運用各種現代智能設備,輔助農業生產進行決策或者實現精細作業。測繪類無人機例如P4R、P4M正是其中的智能設備一類,能夠進行輔助決策。

  測繪類無人機能夠帶有光學負載,包括可見光與多光譜鏡頭。使用可見光鏡頭即可進行出苗、雜草分析、高程測算等。利用作物葉綠素對不同光譜的響應差異,即可進行RGB(可見光)、NDVI(多光譜分析方式之一)等分析,從而實現長勢差異、產量分析,為后續的精準變量噴灑實現可能。

多光譜無人機變量任務的工作流程

  1.棉花化控和營養液變量作業

  農業生產會因為土壤、水分、種子等各種因素產生長勢細微差異,不考慮實際差異而追求噴灑播撒均勻本質上就是對農業生產資源的浪費。在新疆棉花生長過程中,一方面需要進行施肥保障生長良好,到一定階段還需要進行化控避免棉花徒長,影響產量和收割。使用多光譜進行長勢分析,即可識別出長勢差異,增加長勢弱區域作物營養液的供給量。而在化控階段,即可對長勢好的區域增加生長調節劑的使用量,這樣就能實現真正意義上的精準農業。

  在今年跟蹤的多個新疆棉花變量噴灑案例中,實現畝產平均50KG的增產,對于增產增收意義重大。

棉花變量作業

  2.農業無人機變量撒肥

  智能撒肥,要解決2個問題:1.播撒本身是均勻的;2.實現變量播撒。以往的人工播撒,無均勻度可言,而自走式機械,會形成局部用肥過多。農業無人機在水稻上已經實現了撒肥應用的普及,一定程度上解決了播撒均勻度的問題。通過多光譜無人機進行長勢分析,即可辨別長勢差異,再通過變量設計,即可實現精準肥料播撒。

  以水稻為例,相對于傳統的播撒方式,農業無人機變量播撒能夠實現減量、增產、增效,是極具有生命力的新型農業生產方式。

變量播撒帶來的經濟收益

   

  智慧農業是指集物聯網、互聯網、云計算、AI等多方位技術為一體,依托部署在農業生產現場的各種傳感器節點而實現的對農業生產環境的智能感知、預警、分析、決策、專家在線指導等的新興科技理論。農業無人機屬于農業智能裝備的一種,能夠實現智能分析、助力決策、變量噴灑、變量播撒。相信隨著農業無人機應用范圍越來越廣,在智慧農業應用案例越來越豐富,農業無人機在農業生產當中的作用將愈加重要。

  六、社會價值與未來趨勢   

  1.社會價值

  農業無人機對于農業健康發展,無疑具有積極意義。其本身是一種高效、安全、精準的農業機械,相對于傳統的人工作業在一定程度上是生產技術的革命。以黑龍江地區為例,絕大多數種植戶是在2016年才第一次聽說農業無人機這種工具,而在2020年農業無人機飛防作業即覆蓋了90%的水稻面積,5年的時間其農田植保成本降低了67%。2020年第一次使用農業無人機進行肥料播撒,2021年即實現50%水稻肥料由農業無人機播撒,預期在2022年這個比例將會提升到90%。黑龍江植保和撒肥機械化作業的背后,使幾十萬農業勞動者擺脫了繁重、危險的作業過程,提升了勞動體驗。

  另一方面,我國單位面積農藥使用量遠超于全球平均水平,相對于農業發達國家農藥、化肥使用量居高不下。淋洗式噴灑實際上大多數農藥將會進入土壤,對土壤、水源、生物產生負面影響,農藥在食物、土壤、水源的殘留是對整個社會造成考驗的棘手問題。以農業無人機為代表的低容量噴灑方式,其農藥利用率可達40%,是實現農藥減量使用的有效抓手。

農藥使用量中國外對比

  2.潛在風險

  當然,沒有任何生產工具是完美的,農業無人機也不例外。農業航空的典型特征,霧滴易飄移、蒸發,農業無人機也不同程度存在。霧滴飄移特別是除草劑飄移導致的藥害問題,自飛防出現以來也一路跟隨,不斷出現。飄移問題造成了一定的社會風險,部分農業無人機操作人員缺乏基礎知識,對于藥劑特性缺乏認知,造成了更多案例的發生。但是藥害問題完全可以避免發生,這就要求所有的行業參與者,包括生產企業、農藥企業、管理機構加強安全培訓,做好風險評判模型,擴大覆蓋面,最終使得更多的操作人員能夠判斷風險、避免發生事故。

  同時,航空器帶來的安全問題也同時存在,農業無人機飛行高度不高,飛行環境多種多樣,起降區域狹小。如不做好環境勘察、不熟悉設備性能、缺乏安全意識,往往導致撞擊事故的發生。

  但瑕不掩瑜,農業無人機對于農業發展的正面價值毋庸置疑,這也是其在全球獲得高速發展的動力來源。

  3.未來趨勢

  雖然目前的行業規模相對于市場初期的預判已經要高得多,但是從以下幾個方面來看,國內農業無人機仍有較大發展空間:

  1)以播撒和果樹為代表的新應用目前實際滲透比例還比較低;

  2)南方零散地塊總體飛防應用比例不到20%,隨著土地流轉和農業生產人口繼續減少,平均種植規模將持續提升,對于機械化存在硬性需求;

  3)隨著農業無人機應用范圍越來越廣、使用頻率越來越高,購機自用將會更加普遍。

  預計國內2022年農業無人機保有量將會達到23-24萬臺,作業面積將會達到20億畝次以上。

  寫在最后

  農業無人機是一種新興農業機械,有優勢明顯的一面,也有天生的缺陷。作為從業者,我們要做的就是不神化、不丑化,合理運用其優勢,盡量規避劣勢。相信,農業無人機一定會有更輝煌的明天。

    

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