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浅谈2021年度农业无人机行业发展现状与趋势

   2022-01-13 大疆程忠义1520
核心提示:2021年,全国播撒作业实现1亿多亩次,让我们明确它的作用不只是在植保。这一次,我们重新审视它,应当称之为“农业无人机”。农业无人机到底还能走多远,应用技术出现了哪些变化,发展方向有何趋势。带着这些问题,我们一探究竟。

2021年已经过去,距离2016年“飞防元年”已近6年。曾几何时植保无人机是一个称不上行业的小众产品,有很多人提出这样的疑问:“植保无人机到底有没有用,飞防还能走多远?”。历经无数飞防人的艰辛与汗水,我们用累计30亿亩次的作业量告诉所有人、植保无人机不仅可以,而且是大势所趋。曾经我们称之为“植保无人机”,因为它原本绝大多数的作业目的是植保,2021年,全国播撒作业实现1亿多亩次,让我们明确它的作用不只是在植保。这一次,我们重新审视它,应当称之为“农业无人机”。农业无人机到底还能走多远,应用技术出现了哪些变化,发展方向有何趋势。带着这些问题,我们一探究竟。

一、国内应用数据概览

1.行业整体增速80%

国内农业无人机保有量第一次突破10万台,达到16万台;作业面积超过14亿亩次。

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作业量与设备保有量曲线图

2.飞防渗透率80倍的巨大差异

新疆2021年飞防渗透率达到80%,即登记在册的耕地绝大多数都使用过农业无人机服务,这说明大面积、平原地区、农业人口少的地区,往往更有利于农业机械化发展。重庆市2021年飞防渗透率只有1%,这说明越是丘陵山地、地块面积小、土地流转弱、人口多的地区农业机械化越难以发展。地块规模较小,传统方式作业即可满足;地块零散,高效农业机械也难以开展。

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各地飞防渗透率数据

80倍的巨大差异,充分说明了我国地域辽阔、区域情况差异极大的现状,另外一方面也说明部分地区仍具有一定的发展潜力。

注:飞防渗透率——该地农业无人机作业覆盖的面积除以当地的总耕地面积。

3.黑龙江播撒面积超过1亿亩次

播撒应用最早来源于日本使用农业无人机播撒颗粒除草剂,国内在2017年开始有少量的播撒油菜籽等应用。随着大疆农业在2019年推出T20播撒系统,播撒应用快速发展,主要应用方向为水稻肥料播撒、种子播撒。2021年,仅黑龙江播撒总作业面积已达1亿亩次(仅大疆农业无人机数据),近50%左右的水稻肥料由农业无人机进行播撒。农业无人机播撒肥料避免了高强度体力劳动,受到了水稻种植户的极大欢迎。预计2022年,全省水稻农业无人机肥料播撒还将获得高速增长。二、新应用场景果树与播撒是2021年飞防两大关键词,除了播撒作业得到超速发展外,果树在2021年也迎来了新的阶段。

1.果树应用

我国是全球最大的水果生产国家,种植面积和总产量均为世界第一。如果能达到大田作物的飞防渗透率,则果树飞防前景不可限量。但是果树相对于水稻小麦等大田作物具有植株高、冠层厚、地形陡峭(南方山地果树尤其突出)的特点,农业无人机要实现良好的作业效果,任重而道远。

农业无人机要在果树区良好应用,应实现以下几个性能指标:

(1)实现自动仿地,也就是能够在陡峭的山地实现固定相对高度的飞行;

(2)实现雾滴的良好覆盖,并且空地应实现不喷洒;

(3)避免过高浓度的药液或强大的风场对果树和果实产生损害。

要解决自动仿地的问题,以往方案往往是通过测绘无人机提前航拍并电脑建图从而获取三维模型,并最终产生三维航线。这种方式的优点是精准度较高,能够识别障碍物,缺点是成本高(需另购测绘无人机、高配置电脑)、流程复杂。

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果树模式作业流程

所以随着农业无人机植保、测绘一体化,果树的作业方式在这两年发生了巨大变化,一个趋势是农业无人机使用视觉识别,对于不算陡峭的果树可以直接作业,无人机自动进行识别并仿地。而对于比较陡峭的果树,则使用农业无人机进行航拍并通过遥控器进行重建与运算,产生的结果直接调用即可作业。要解决的第二个问题是,雾滴均匀覆盖,这是相对第一点更为困难的攻坚项目。类似柑橘、荔枝等果树类型,如没有实现有效修剪,往往冠层密闭,只是单纯依靠风场强大并不能确保雾滴穿透到中下部。冠层在强大风场的压迫下,往往会堆叠,更难穿透。为了解决这个问题,大疆农业2021年第一个尝试是枝向对靶,也就是无人机两侧的机臂上翘一定角度,药液从树叶生长的方向吹向树枝,形成雾滴迷宫,从而提升中下部的覆盖效果。但是这个方案要求无人机从两垄之间飞过去,对果树种植方案有一定要求。另一个方向是采用更细的雾滴、更大的流量从而提高雾滴整体的数量和中下部雾滴的数量。采用离心喷洒系统能够支持更大的流量,如大疆T40农业无人机流量可达12L/分钟,同时最细雾化粒径可达到50μm。更为细小的雾滴能够产生烟雾悬浮状态,能够弥漫在果园,从而实现更大面积的覆盖。

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双重雾化离心喷洒系统雾化效果

目前果树飞防还处在发展早期,相应的技术还处在高速迭代阶段,但随着作业效果被越来越多人接受,相信在未来的2-3年内,每年都会实现翻番增长。

2.播撒应用

农业无人机播撒机广泛应用于水稻、小麦、油菜、草籽等播撒。但最为典型的应用还是水稻的种植过程。以整个种植过程来看,涵盖的环节包括底肥播撒、种子播撒、追肥播撒、杀虫杀菌、除草,完整地覆盖了水田翻整到收割前的全部工作,成为水稻种植不可或缺的高效生产工具。

底肥用量大,无人机播撒优势不明显,但因为劳动强度低已有一定的应用。追肥亩用量不高,在水稻区优势明显,目前增长迅速。水稻种子播撒也就是水稻直播,在黑龙江也被称为“漫撒”,属于水稻种植方向的新趋势,具有省工、降低种植成本、提高种植收益的特点。以黑龙江漫撒直播为例,水稻漫撒减少了育秧、插秧等工序。虽然由于生长时间减短,产量有所降低,但是因为减少了工序,总收益会有一定增加。2021年12月底,笔者针对101位黑龙江地区的种植户进行直播收益的调研,每亩收益平均增加了93元。

三、技术应用特性

1.喷洒应用特性

农业无人机喷洒典型的特征是低容量、细小雾滴、具有一定高度,所以在具备节水、效率高、地形适应能力强的同时,存在比较明显的飘移和蒸发问题。另外,因为国内往往存在3-4种药剂同时桶混的情况,浓度高并且类型多,易发生桶混反应,造成药剂失效。所以植保团队应注意进行二次稀释,并总结易产生反应的药剂。

2.现有植保方式综合对比

除人工喷洒方式外,目前我国主要的植保设备就是地面自走式植保机械和农业无人飞机,载人固定翼和直升机在黑龙江和新疆有一定存在,但作业量同比还比较低。农业无人机相对于地面机械在水田作物拥有绝对优势,例如水田喷洒、播撒,甚至包括水塘、水库都可以作业。其他有优势的应用还包括山地果树、高秆作物、封垄后的作物(能够不伤作物的前提下作业)。

相对于地面机械主要的劣势在于包括需要大水量、对飘移敏感、对风场敏感的作业场景,例如小麦、玉米等旱田作物的封闭除草;玉米和小麦大豆混种区域的玉米除草作业(易发飘移药害)。总体来说,随着农业无人机的高速发展,地面自走式机械的市场占比在下降。

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各种植保方式的综合对比

3.应用产生的问题

农业无人机应用的主要问题是飘移性强,并且部分操作人员缺乏防控意识,每年发生大量飘移药害问题。应明确飘移的影响因素、易发生飘移问题的作业类型,及时总结经验,避免飘移事故的发生。

四、产品技术发展方向

1.机型与载重

农业无人机早期机型都以10L为主,逐步发展到16L、20L、30L、40L,在一定范围内,载重的增加有利于提升作业效率和效果,所以应予以肯定。不同地区、不同应用对于机型载重有着不同的要求,以应用范围而言,果树植保、播撒作业需求更大的载重,以保障效率和效果,而大田作物喷洒,往往并不需要大载重机型;以地区范围而言,零散地块更钟爱中小机型,而规整大地块更适用于大载重机型。

在2021年底,主流机型载重量已增长至40L、播撒50KG,相信在一定时间范围内,机型载重不会再继续上升。因为随着载重的上升,已经产生以下弊端:1.单人难以搬运;2.风场过强,容易产生倒伏;3.充电功率超过7KW,单相电已难满足,对电网要求更高。预计在3-5年内,国内将以20-40公斤的机型为主,各个地区根据自身的需要进行选择。

2.喷洒系统

目前常见的雾化方式包括离心喷洒系统和压力式喷洒系统(液力雾化)。压力喷洒系统属于常规雾化方式,优势在于成本低、寿命长、穿透能力稍强,是地面植保机械的主要雾化方式,但是也存在雾化粒径谱宽、粉剂适应性能力弱、粒径与流量关联等特性。离心式喷洒系统具有粒径调节与流量脱钩、流量大、粉剂适应性更强的特性,在果树、高剂量粉剂作业、大流量场景更有优势,但是离心喷嘴属于向四周甩出,雾滴穿透性稍弱飘移性更强,另外其成本也高于压力式喷洒系统。

离心喷洒系统在大载重机型、果树作业更有优势,可以提供大流量、细雾滴、适应粉剂作业(果树作业粉剂比例较高,保护性杀菌剂使用较多)。而在中小载重机型,流量要求不高,低成本而长寿命的压力式喷洒系统依然有其自身优势。所以,从长远看,两种喷洒系统将会长期保持共存。

从目前的趋势来看,大于20L的机型选择离心喷洒系统的比例在增加,而在20L以下机型,则仍有不少机型依然选择压力喷洒系统。

3.定位技术

定位方式最为普遍的是GNSS卫星定位,定位精度为米级,全球均有效覆盖,简单易用。在GNSS技术之上进行定位差分计算则为RTK高精度定位技术,能够实现厘米级定位精度。RTK定位能够带来高精度作业,从而为精准作业带来可能,也是建图测绘、果树作业、变量喷洒或播撒的基本前提。

RTK目前主要有两种布设方式,包括移动RTK基站和网络RTK。移动基站需要另外购置RTK基站并且需要提前铺设,但无论当地是否有网络覆盖都可以良好运用。网络RTK是通过提前建设固定的RTK基站,并通过网络通讯信号与无人机进行通讯,无人机联网即可获得高精度定位。网络RTK的劣势在于一旦本地没有基站覆盖或者没有网络通讯信号覆盖,则无法正常使用。


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网络RTK的工作方式

国内已经大规模建设网络RTK基站,除了边疆部分人口稀少地区已能够实现大范围覆盖,成为农业无人机作业的首选。

4.地块规划方式

最早的地块规划方式是遥控器打点,也就是以打点器记录坐标产生地块,这种方式能够在规划地块的同时熟悉地块的障碍物等详细信息,遥控器打点的缺点在于劳动强度高、效率低。飞行器打点是2017年推出的规划技术,具有效率高、劳动强度低的特点,操作人员无需下地即可完成整个规划,适合大块田规整地区。这种方式对田块和操作人员的技术水平具有一定要求。

这两年一个新的技术方向是使用农业无人机直接进行测绘,也就是无人机植保和测绘一体化,采用航拍-重建获取高清图,然后在遥控器上直接采用十字准星打点,适合比较规整的区域。具体的实施方式在第二章已经说明,不再赘述。

五、基于无人机智慧农业应用

农业的发展首先需要获得规模化,其次才能实现机械化,而在实现机械化之后,农业生产还需要向智慧农业进一步发展。智慧农业的本质是运用各种现代智能设备,辅助农业生产进行决策或者实现精细作业。测绘类无人机例如P4R、P4M正是其中的智能设备一类,能够进行辅助决策。

测绘类无人机能够带有光学负载,包括可见光与多光谱镜头。使用可见光镜头即可进行出苗、杂草分析、高程测算等。利用作物叶绿素对不同光谱的响应差异,即可进行RGB(可见光)、NDVI(多光谱分析方式之一)等分析,从而实现长势差异、产量分析,为后续的精准变量喷洒实现可能。

1.棉花化控和营养液变量作业

农业生产会因为土壤、水分、种子等各种因素产生长势细微差异,不考虑实际差异而追求喷洒播撒均匀本质上就是对农业生产资源的浪费。在新疆棉花生长过程中,一方面需要进行施肥保障生长良好,到一定阶段还需要进行化控避免棉花徒长,影响产量和收割。使用多光谱进行长势分析,即可识别出长势差异,增加长势弱区域作物营养液的供给量。而在化控阶段,即可对长势好的区域增加生长调节剂的使用量,这样就能实现真正意义上的精准农业。在今年跟踪的多个新疆棉花变量喷洒案例中,实现亩产平均50KG的增产,对于增产增收意义重大。

2.农业无人机变量撒肥

智能撒肥,要解决2个问题:1.播撒本身是均匀的;2.实现变量播撒。以往的人工播撒,无均匀度可言,而自走式机械,会形成局部用肥过多。农业无人机在水稻上已经实现了撒肥应用的普及,一定程度上解决了播撒均匀度的问题。通过多光谱无人机进行长势分析,即可辨别长势差异,再通过变量设计,即可实现精准肥料播撒。以水稻为例,相对于传统的播撒方式,农业无人机变量播撒能够实现减量、增产、增效,是极具有生命力的新型农业生产方式。

智慧农业是指集物联网、互联网、云计算、AI等多方位技术为一体,依托部署在农业生产现场的各种传感器节点而实现的对农业生产环境的智能感知、预警、分析、决策、专家在线指导等的新兴科技理论。农业无人机属于农业智能装备的一种,能够实现智能分析、助力决策、变量喷洒、变量播撒。相信随着农业无人机应用范围越来越广,在智慧农业应用案例越来越丰富,农业无人机在农业生产当中的作用将愈加重要。

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变量播撒带来的经济收益

六、社会价值与未来趋势

1.社会价值

农业无人机对于农业健康发展,无疑具有积极意义。其本身是一种高效、安全、精准的农业机械,相对于传统的人工作业在一定程度上是生产技术的革命。以黑龙江地区为例,绝大多数种植户是在2016年才第一次听说农业无人机这种工具,而在2020年农业无人机飞防作业即覆盖了90%的水稻面积,5年的时间其农田植保成本降低了67%。2020年第一次使用农业无人机进行肥料播撒,2021年即实现50%水稻肥料由农业无人机播撒,预期在2022年这个比例将会提升到90%。黑龙江植保和撒肥机械化作业的背后,使几十万农业劳动者摆脱了繁重、危险的作业过程,提升了劳动体验。

另一方面,我国单位面积农药使用量远超于全球平均水平,相对于农业发达国家农药、化肥使用量居高不下。淋洗式喷洒实际上大多数农药将会进入土壤,对土壤、水源、生物产生负面影响,农药在食物、土壤、水源的残留是对整个社会造成考验的棘手问题。以农业无人机为代表的低容量喷洒方式,其农药利用率可达40%,是实现农药减量使用的有效抓手。

2.潜在风险

当然,没有任何生产工具是完美的,农业无人机也不例外。农业航空的典型特征,雾滴易飘移、蒸发,农业无人机也不同程度存在。雾滴飘移特别是除草剂飘移导致的药害问题,自飞防出现以来也一路跟随,不断出现。飘移问题造成了一定的社会风险,部分农业无人机操作人员缺乏基础知识,对于药剂特性缺乏认知,造成了更多案例的发生。但是药害问题完全可以避免发生,这就要求所有的行业参与者,包括生产企业、农药企业、管理机构加强安全培训,做好风险评判模型,扩大覆盖面,最终使得更多的操作人员能够判断风险、避免发生事故。

同时,航空器带来的安全问题也同时存在,农业无人机飞行高度不高,飞行环境多种多样,起降区域狭小。如不做好环境勘察、不熟悉设备性能、缺乏安全意识,往往导致撞击事故的发生。但瑕不掩瑜,农业无人机对于农业发展的正面价值毋庸置疑,这也是其在全球获得高速发展的动力来源。

3.未来趋势

虽然目前的行业规模相对于市场初期的预判已经要高得多,但是从以下几个方面来看,国内农业无人机仍有较大发展空间:

(1)以播撒和果树为代表的新应用目前实际渗透比例还比较低;

(2)南方零散地块总体飞防应用比例不到20%,随着土地流转和农业生产人口继续减少,平均种植规模将持续提升,对于机械化存在硬性需求;

(3)随着农业无人机应用范围越来越广、使用频率越来越高,购机自用将会更加普遍。预计国内2022年农业无人机保有量将会达到23-24万台,作业面积将会达到20亿亩次以上。

农业无人机是一种新兴农业机械,有优势明显的一面,也有天生的缺陷。作为从业者,我们要做的就是不神化、不丑化,合理运用其优势,尽量规避劣势。相信,农业无人机一定会有更辉煌的明天。


 
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