發布時間：2018-01-27所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 日本學者根據相關地形和地貌特征，以及從事農業勞動的相關情況開展了從有人直升機到無人直升機航空施藥的農業發展模式，也研發了多種無人機型，保障水稻植保作業。日本學者對農業航空技術、精準控制技術等先進技術進行了大量探究，在施藥過程中形成了無人機
日本學者根據相關地形和地貌特征，以及從事農業勞動的相關情況開展了從有人直升機到無人直升機航空施藥的農業發展模式，也研發了多種無人機型，保障水稻植保作業。日本學者對農業航空技術、精準控制技術等先進技術進行了大量探究，在施藥過程中形成了無人機管理體制，保障了日本農業航空的健康，有序發展。下面文章對此展開研究，分析我國航空應用技術的未來發展。
關鍵詞：日本,農業航空,植保,精準農業,精準導航控制
農業病蟲害是影響我國糧食安全和農產品供給的重要制約因數，2001—2004年，我國糧食產量年平均增長率高達3%，施藥強度也隨之增加，根據測算耕地面積年增長約為6%，農藥的單位面積使用量也處于較高水平[1]。我國農業植保現狀可以概括為以下兩方面：智能化程度不高、農藥利用率低、環境污染等;工業化和城鎮化的快速發展，導致從事農業生產的青壯年人數減少，無防治人員可用。據統計，我國每年使用130萬t農藥制劑，單位面積農藥使用量是世界平均水平的2.5倍，受污染的耕地面積達0.1億hm2，約占可耕種面積的1/10，大部分污染源于農藥化肥的不合理施用。因此，亟待發展高效、省力的植保作業模式[2]。2014年中央一號文件提出“要促進生態友好型農業發展”，而且特別指出要“加強農用航空建設”。
2015年農業部制定了《到2020年農藥使用量零增長行動方案》，提出要大力推進農藥減量控害，積極探索產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展之路，到2020年力爭實現農藥使用總量零增長。要實現這一目標，現階段迫切需要研究和大力推廣農業智能化精準施藥裝備和技術。當前，在全國科研院所和企業大力推動下，航空植保專業化防治組織逐漸形成，從業人員不斷增多，農業航空植保應用技術研究與推廣應用已進入快速發展期。世界上農業航空較為發達和典型的國家是美國和日本，美國是農業航空應用技術最成熟的國家之一[3]。
日本農業航空發展可以追溯到1958年，其快速發展的原因有以下兩點：年輕一代不愿意從事繁重且勞累的農業種植工作，導致從事農業生產勞動人口的減少;農業機械化和自動化技術的快速發展。我國南方地區地形、地貌及農作物種植模式與日本極為相似，本文擬介紹日本的農業航空現狀、應用領域、精準施藥技術及管理方法，以期為我國農業航空應用技術的發展提供借鑒。
1日本農業航空發展概況
日本農業航空發展經歷了有人直升機空中農藥、化肥噴施和飛機播種到無人直升機空中作業的快速發展階段，尤其是以雅馬哈發動機有限責任公司研發并投入使用的植保無人直升機最為著名。
1.1日本農業航空發展歷史及現狀
20世紀50年代至70年代，日本進入經濟高速增長時期，農村過剩人口被工商業迅速地吸收，逐步出現了農村人口的老齡化現象。為確保糧食生產安全同時提高作業效率，1958年開始日本將有人直升機投入到稻田的害蟲和稻瘟病防治，利用有人直升機進行農藥噴施的面積為100hm2，到1993年達到210萬hm2，有人直升機噴施幾乎遍及整個日本[3]。但是，有人直升機農藥噴施飛行高度在8~13m，飛行速度達到60~80km•h–1，農藥噴施出現大量飄移而引起環境污染問題，還伴隨著墜機、作業操作安全事故等突出問題[4]。
1983年日本農林水產省做出了農業航空植保作業有人直升機和無人直升機共同參與的決定，同年農林水產省下屬的社團法人組織農林水產航空協會委托雅馬哈發動機公司從事農用無人植保作業器械的研究，1987年研制出世界上第1臺工業用無人直升機R50，并且于次年開始銷售;經過10年的作業實踐和改進，1997年研發出了具有飛行姿態控制系統且性能大幅提升的RMAX新機型;2003年推出具有GPS導航特性，在飛行穩定性控制方面有較大改進的RMAXⅡG型無人直升植保機;預計2017年投入市場的FAZERRG2型無人直升機能夠達到載質量40kg，飛行高度2800m，續航距離90km。
日本植保無人直升機保有量呈現出逐年增長的趨勢，從1990年的106臺，到1993年的307臺，年均增長67臺，無人直升機植保作業面積也相應的從25hm2漲到123hm2;1994—2005年，這11年間，植保無人直升機年均增長量為179臺，無人直升機植保作業面積也相應的從17.2萬hm2漲到28.2萬hm2;2006—2011年這5年間，年均增長約40臺，2011年植保無人直升機保有量為2378臺，2011年無人直升機植保作業面積已達到35.3萬hm2，截止2015年日本植保無人直升機保有量為2668臺。2013年日本雅馬哈發動機有限責任公司對現有病蟲害防治手段做了作業效率及病蟲害防治情況(圖1[5])的詳細調查[5]：
1)以1hm2(100m×100m)作業面積為例，背負式噴霧器作業需要時間為160min，乘坐式拖拉機噴霧作業時間為60min[5]，無人直升機作業時間為10min。
2)日本水稻病蟲害防治以無人直升機占有較高比例(22%)，而有人直升機僅占防治面積的2%。
3)1995—2014年，有人直升機水稻防治面積所占比例逐年降低，無人直升機防治面積所占比例逐年升高，在2003年首次有人直升機對水稻病蟲害的防治面積少于無人直升機，之后無人直升機植保作業率一直高于有人直升機植保作業率，無人直升機逐漸替代有人直升機成為水稻病蟲害防治的主要手段。
2日本農業航空施藥關鍵技術
農業航空服務的主要任務是航空施藥、施肥、農情信息獲取。農業航空施藥技術的目標是實現精準施藥，實現高效的農作物病蟲草害防治。實現精準施藥的必要條件是農作物病蟲害信息監測，其關鍵技術包括：農業航空遙感技術、精準導航控制技術和變量施藥技術。圖4描述了農業航空精準施藥的實現過程，需要根據地理信息系統(Geographicinformationsystem,GIS)、機載遙感測量系統(Remotesensingsystem,RSS)獲取作物的病蟲草害信息，生成作物精準施藥處方圖(Cropprescriptionmap,CPM)，無人機在農作物病蟲害發生地點的上方進行農藥噴施，需要精準導航系統(Precisionnavi-gationsystem,PNS)，要實現精準低量噴施達到保護環境、減少農藥殘留的目的，還需要配有變量噴施系統。
2.1農業航空遙感技術
遙感是用一種非接觸式調查設備獲取物體本身、區域或者物體所呈現的現象信息，再通過對所獲取信息進行分析、提取的一門科學藝術，根據獲取遙感信息的手段可以分為衛星遙感、航空遙感和地面機載遙感[6]。衛星遙感感知面積大、感知時間間隔相對固定、空間分辨率高;航空遙感及地面機載遙感系統感知面積小、感知時間間隔靈活、空間分辨率高。在農作物生長及病蟲害信息獲取的應用方面，這些遙感信息獲取方法都具有各自的局限性，因此，農業航空遙感信息技術是未來農業航空的研究熱點之一。
作為對1986年歐洲航天局利用ERS-1(Eu-ropeanremotesensingsatellite1)獲取遙感信息應用于科學研究(1991年7月17日ERS-1遙感衛星成功發射)的回應，1992—1993年期間，日本秋田縣立大學大學部(Akitaprefecturalcollegeofagriculture-APCA)，在日本國家航天管理局(NationalspacedevelopmentagencyofJapan，NASADA)幫助下，進行了第1次從水稻移栽到收獲季節的監測試驗，旨在研究微波后向散射特性與水稻生產態勢的關系[7]。
近年來，日本對航空遙感技術在水稻及其他農作物生產信息獲取的應用方面進行了大量研究，監測水稻生產期(水稻穗分花期)氮元素含量，可為追施氮肥提供重要決策依據，Kurosu等[8]利用航空高光譜相機監測不同天氣條件下利用數學模型預測水稻在穗分化期從土壤中吸入氮元素的含量。Chanseok等[9]借助航空高光譜相機獲取水稻農情信息，提出了一種綜合Lasso(Leastabsoluteshrinkageandselectionoperator)回歸模型算法和AIC(Akaike’sinformationcriterion)原則的新方法估算水稻長勢、產量以及蛋白質含量。在2007—2008年，Odagawa等[10]利用有人直升機(セナスC028)搭載CASI-3(ItresResearchCo.,Ltd.)從可見光到紅外光波長范圍傳感器，在平川市對抽穗后20d到成熟期間的水稻進行監測，指出可以利用670nm的水稻葉面反射率預測水稻成熟期，確定水稻高品質的收割時間。
2014年5月中旬至9月中旬，對埼玉縣坂戶市水田水稻種植區進行了1周1次的水稻生長監測，試驗監測利用小型無人機(UAV)搭載相機拍攝水稻長勢圖像，然后利用SfM軟件(PhotoScan)進行處理，得到水稻長勢等農情信息[11-13]。相比衛星遙感監測，獲取信息的成本較低，且不受時間限制，此種方法有廣泛的應用前景。除此之外，航空遙感技術在日本的其他應用領域也得到了廣泛的應用。在林業種植中，利用無人直升機機載激光雷達(Lidar)對林區樹木密度、高度、直徑以及材質特性進行監控和管理[14-16]。在火山爆發探測[17]及小型UAV自然災害調查領域也有探索性應用研究[18]。
2.2農業航空精準導航控制技術
精準農業航空施藥是利用及時準確的信息獲取技術和現代信息處理技術實現農藥減施、高效、省力的一項綜合技術，包括利用全球定位系統(GPS)、GIS、遙感技術、精準導航技術以及變量噴施控制技術等。機載遙感系統搭載遙感裝置(攝像機、高光譜相機、多光譜相機、熱成像儀等)利用作物表面的反射或光合作用水分蒸發原理監測作物病蟲害農情。利用空間統計學等知識將遙感識別到的農作物病蟲害農情，生成需要施藥的處方圖。利用GPS確定航空植保飛機與需要噴施地點的位置關系。
搭載自主飛行控制器的作業飛機做出航線軌跡規劃，計算出作業模式，開啟變量噴施系統裝置進行精確、定點、超低量的高效噴施。農業航空精準導航控制技術是實現精準、定點噴施的先決條件之一。有研究利用RTK-GPS和慣性導航系統技術實現了農業航空精準導航控制[19-21]。辻井利昭等[22]提出了無人直升機搭載偽衛星裝置用于導航控制，并且驗證了在導航精度和可靠性等方面比GPS有所提高。Iwahori等[23]開發了無人直升機搭載的三維GIS地圖系統用于精準航空調查。雅馬哈發動機公司開發了RMAX型工業用無人直升機(超過2500臺)，可利用精準噴粉防治水稻病蟲害，并且利用搭載了自動導航控制系統的RMAXG1型無人直升機用于火山爆發觀測以及災害救助等[23]，即將投入使用的FAZER機型在載質量和續航時間上較常規的RMA機型有較大改善，再配上精準導航控制系統，將進一步推動精準農業航空施藥技術。精準航空施藥需要研究無人機自動避障、空中懸停、噴施中無人機姿態控制以及飛機降落控制等技術。
已有對雅馬哈發動機公司RMAX型航空施藥無人直升機自動控制系統的深入研究[24-25]。由于農業航空精準施藥無人機飛行高度為3~4m[4]，屬于低空飛行，為確保安全，精準施藥需要開發無人機自動避障控制系統。Suzuki等[26]提出將非線性模型控制算法應用于小型無人機自動避障控制及導航應用。Nakanishi等[27]提出利用環境自適應控制算法控制無人機空中飛行的姿態，抵御外界環境干擾。Nonaka等[28]綜合考慮外界干擾、地面控制站、無人機動力學模型，利用滑�？刂扑惴ㄏ魅跬饨绺蓴_、減小模型誤差，實現了平穩起飛、降落及空中懸停的穩定控制。精準農業航空施藥綜合了遙感、精準導航控制、無人機控制以及變量噴施等技術。在遙感農情監測、精準導航及無人機控制等方面日本學者都進行了深入研究。而變量噴施技術[28-29]以及有人駕駛直升機農藥噴施防飄移[30-32]等方面美國學者進行了大量研究。
3日本農業航空管理
農業航空植保技術的健康發展，除了加大力度研究無人機施藥關鍵技術以外，還需要加強農業航空植保無人機的管理工作。日本農業機械政府管理體系大體上分為農業水產省和地方農政局2級。植保無人機的中央級管理歸屬于農業水產省消費安全局，在地方歸屬于消費安全部管理。植保無人機作業管理相關政策制定由農業水產省消費安全局發布，2017年發布的無人機植保農藥配施利用技術指導準則[33](28消安第1118號、地農第1046號)，為確保航空植保無人機作業的安全做了如下規定：
1)植保無人機必須以航空法(昭和27年法律)第231號第2條第22項中的規定為準，空中散布是指利用無人機進行農藥、化肥的噴施以及播種，實施主體指的是各級植保作業行政機構、聯防蟲害團體、飛防作業人員及農戶。作業者必須具備無人機植保作業的基礎知識和操作技能，并且要獲得農林水產航空協會認可。
2)航空植保作業必須遵守國土交通省航空局和農林水產省消費安全局聯合頒布的規則[33]，如國空法第734號、國空機第1007號、27消安第4546號。3)列出了航空植保無人機機型、飛行參數、農藥噴施方法、操作人員技能要求等;詳盡地列出了實施主體必須遵循的規則以及事故發生時的對策;規定了航空植保作業實施計劃書和實施作業效果報告書的填寫方法和提出流程[33]。
對植保無人飛機作業進行管理的“無人飛機植保農藥噴施利用技術指導準則(28消安第1118號)”發布于2016年5月31日，其中對“宗旨、無人飛機相關術語定義、與農藥噴施相關的機構和協會、空中施藥的實施細則、根據航空法的規定申請實施作業、事故發生時的對策、操作者資格、藥液噴施后的藥效、空中施藥藥效統計表以及相關信息的收集整理”等做出了細致明確的規定，并在技術準則中制定了一系列相關的規范、作業以及效果評估規程，具體包括：
1)無人飛機植保施藥作業計劃書確定了植保無人飛機施藥主體(農戶和施藥單位)、無人飛機操作者情況(姓名和技能證書編號)、施藥機型、施藥地點、農作物名稱、病蟲害名稱及特征、施藥面積、施藥量、作業飛機數量及每畝施藥量等具體細節;
2)無人飛機植保作業空中施藥事故發生報告書，該報告書要求詳細記錄施藥過程發生的事故具體情況、事故應對措施、事故原因分析以及再發生事故對策;
3)無人飛機航空施藥作業實施效果評估報告包括計劃書提及的信息及實施時間，該實施效果報告書由農戶和作業者共同確認并提交地方農政局。日本的無人飛機植保空中施藥業務也受“國土交通省航空局”管理，因此農林航空植�？罩惺┧庯w行許可相關的政策文件是由日本國土交通省航空局長和農林水產省消費安全局長聯合發文。無人機農業航空植�？罩惺┧庯w行許可法令文件“國空航第734號、國空械第1007號、27消安第4546號”等是由日本國土交通省航空局長和農林水產省消費安全局長聯合發文。該法令明確了申請的手續和申請記載事項的確認，申請內容包括申請者姓名、無人機概況、飛行路線及目的、飛行高度、飛行施藥效果評估報告、作業領域的通告以及事故報告書等。
除了政府對農業航空植保作業進行管理外，還專門成立了由航空無人機植保相關企業人員組成的社團組織—農林水產航空協會，該協會成立于1962年，其目的是利用農業航空確保農林水產業的健康穩定發展，提高生產率，確保國民的糧食安全，并且保護自然生態環境，其主要工作內容為：開展與農業航空相關的技術研究，農業航空安全的教育及農業航空無人機的質量監管與鑒定工作，航空植保作業過程的監管與調查，以及協會擬定的其他農業航空的相關工作�？v觀日本農業航空30年發展歷史，在農林水產省和以企業為主的團體組織—農林水產航空協會的大力推動下，農業航空得以健康、快速的發展，與此同時，作為企業的雅馬哈發動機有限責任公司和大批專家學者在農業航空植保裝備制造以及無人機控制技術方面也做出了應有的貢獻。
4日本農業航空發展管理啟示
日本的農業生產經營模式是建立在日本傳統的農戶家庭經營基礎上的，且農戶分散居住在農村，農業航空的發展經歷了由有人駕駛直升飛機到植保無人機的發展模式。我國許多地區的地形地貌特征、農村農業生產和種植模式、農村生活居住特征都與日本極為相似，因此在農業航空和植保無人機產業發展和應用方面，可以借鑒日本農業航空植保的發展經驗和成熟的管理經驗，主要從以下幾個方面入手：
1)政府應加大植保無人機關鍵技術的研發財政支持力度。早在1983年日本農林水產省就支持日本雅馬哈發動機公司研究開發植保無人機，經過30多年的發展，目前在小型植保無人機領域技術已經比較成熟，但禁止對外進行技術出售與轉讓。我國目前正處于植保無人機發展的起步階段，科研院所和小型植保無人機企業應當投入大量的財力和精力，圍繞小型植保無人機裝備和應用關鍵技術進行研究，突破技術瓶頸。
2)建立政府監管和行業協會協同管理的推動模式。在小型植保無人機的管理方面，日本政府實行部級管理，以農林水產省為主，國土交通省為輔，國土交通局主要協同農林水產省管理，地方管理以地方農政局為主。由于植保無人機的作業管理較為復雜，為此日本早在1962年2月16日成立了“農林水產航空協會”，負責小型植保無人機植保作業實施的協同管理。利用“農林水產航空協會”管理農用航空植保作業，制定農業航空植保作業技術標準，質量檢測標準由協會牽頭，植保無人飛機生產企業以及高校、科研院所共同參與制定。協會加強了在植保無人機操作人員培訓和農藥使用方法方面的管理，強化了農業航空植保應用領域的宣傳。因此，在我國小型植保無人機發展過程中，應當賦予聯盟和協會更多的管理責任、權利和義務，形成以植保無人飛機生產企業為主、政府監管和推動為輔，聯盟、協會協同管理的發展局面。
3)大力開展農業航空植保專用藥劑研發。由于植保無人機施藥與傳統背負式施藥器械不同，植保無人機施藥量屬于低量、超低量，但是藥劑濃度高，因此需要研發農業航空專用藥劑。在日本，政府根據農業航空植保專用藥劑制定的標準對植保無人機用藥進行監督和管理。我國目前正處于農業航空發展的初級階段，既要完善農業航空植保專用藥劑的標準制定，又要加大對農業航空植保專用藥劑的研發投入。
4)積極推進我國農業航空植保相關標準的制定。行業標準的制定對于行業的發展有引導和推動作用。在標準制定過程中，我們可以借鑒日本在農業航空植保方面的一些管理制度、政策法規和相關標準的具體條文，結合我國的實際情況制定農業航空植保特殊階段的符合我國國情的農業航空植保標準，以推動新科技在我國農業航空及植保無人機產業的應用和發展。
參考文獻：
[1]王佳新,李媛,王秀東,等.中國農藥使用現狀及展望[J].農業展望,2017,2:56-60.
[1]周志艷,臧英,羅錫文,等.中國農業航空植保產業技術創新發展戰略[J].農業工程學報,2013,29(24):1-10.
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