基于北斗導航-RTK的農(nóng)用無人飛機輔助授粉技術應用研究

姜寬舒，高菊玲，劉永華，于 泓，王艷莉，張豐山，何成勇，傅劍平

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇 句容 212400）

0 引 言

雜交水稻是一項先進的糧食增產(chǎn)技術，雜交水稻的推廣與應用也將是解決世界糧食危機的有效途徑[1-2]。目前我國大范圍應用的水稻制種和授粉是一種勞力密集型技術，主要依靠人工采用繩索、竹竿或木桿振動父本及自然風力輔助授粉，父本和母本只能采用小行比相間種植，不方便機械種植和收割，難以實現(xiàn)制種全程機械化，特別是母本機械收割前需采用人工割除父本，既費工又損失父本稻谷收入[3-4]。

近幾年來，中國農(nóng)用無人飛機迅速發(fā)展，為雜交水稻制種輔助授粉機械化提供了可能。本文利用電動多旋翼農(nóng)用無人飛機進行雜交水稻制種和輔助授粉的應用與示范效果研究，為提高雜交水稻授粉質(zhì)量和授粉作業(yè)效率提供理論指導和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)用無人飛機及配套設備參數(shù)

室外輔助授粉作業(yè)采用的是目前農(nóng)用無人飛機市場占有率較高的廣州極飛科技P30 四旋翼植保無人飛機，設備外形尺寸為1 262 mm×1 250 mm×390 mm，對稱電機軸距為1 560 mm，整機質(zhì)量為16.05 kg。機身結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？梢詫崿F(xiàn)一鍵起降，斷點續(xù)飛，航線智能規(guī)劃，雷達定高，也可根據(jù)地形和作物高度及時調(diào)整飛行高度，實現(xiàn)仿地飛行，并配備后臺管理系統(tǒng)，可隨時監(jiān)測授粉作業(yè)軌跡和進度。機身裝載的北斗—RTK 定位模塊，可實現(xiàn)無人飛機厘米級精確定位[5-6]。

圖1 輔助授粉植保無人飛機結(jié)構(gòu)

水稻花粉的坐標點精確采集采用上海華測公司生產(chǎn)的高精度NX300 北斗定位測繪器，具有RTK差分定位功能，基站將經(jīng)過差分的衛(wèi)星信號通過通訊模塊傳遞給測繪器，實現(xiàn)精確的厘米級定位。手持該RTK 測繪器給花粉采樣點坐標定位，精確掌握各個采樣點的位置坐標與間距。無人飛機搭載該系統(tǒng)移動站給作業(yè)航線繪制軌跡，通過北斗系統(tǒng)繪制的作業(yè)軌跡來觀察實際作業(yè)航線與各花粉采樣點之間的關系?；ǚ鄄杉Ｆ萌f向夾使涂有凡士林的載玻片，如圖2 所示，使用時將其固定于水平儀三腳架頂部，便于田間采集水稻花粉。

1.2 試驗場地及制種組合

本次輔助授粉作業(yè)參數(shù)優(yōu)選試驗以雜交水稻品種京粳1 號和蘇香粳100 為作業(yè)對象，種植于江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院禾木農(nóng)博園雜交水稻繁育基地（119°25’58”E，32°24’51”N），試驗區(qū)地勢平坦，中壤土，肥力中等，地力均勻。2020 年8 月6 日，天氣晴朗，最高氣溫37.3 ℃，最低氣溫28.1 ℃，平均氣溫32.7 ℃，相對濕度70%，風級1～2 級；8 月11 日，最高氣溫37.4 ℃，最低氣溫26.8 ℃，平均氣溫32.1℃，相對濕度65%，風級1～2 級。試驗時水稻正處于開花期，平均株高父本為140 cm，母本為110 cm。

圖2 涂有凡士林的載玻片

1.3 試驗方案

試驗設3 塊標準試驗田，其中田塊A 分別于8月6 日和8 月11 日使用多旋翼無人飛機輔助授粉2 次，2 次輔助授粉間隔期4 d；田塊B 在8 月6 日使用多旋翼無人飛機輔助授粉輔助授粉1 次；田塊C為對照參考，自然授粉，不進行輔助授粉。每塊標準試驗田面積為2 hm2，處理間隔距離150 m，3 塊試驗田的初始情況及管理方式一致。無人飛機輔助授粉時間均為10∶00 前或16∶00 后。無人飛機的飛行高度距作物頂端3～5 m，產(chǎn)生的風力為4～5 級，以吹散花粉而不吹落花瓣為宜。

參考平時無人飛機授粉作業(yè)時的經(jīng)驗，極飛P 30 多旋翼無人飛機的輔助授粉作業(yè)高度一般設置在距離作物冠層3～5 m，飛行速度設為5 m/s 左右[7-8]。飛行試驗分別在試驗區(qū)水稻田的3 個區(qū)域依次進行，每個試驗田區(qū)域的中心包含5 行父本作為授粉作業(yè)的花粉源，每塊試驗田內(nèi)共布置20 個花粉采樣點，采樣點成直線等間距排列，且與區(qū)域中心的父本種植方向垂直?；ǚ鄄蓸狱c之間距離預設為2 m，從航線的左側(cè)到右側(cè)依次編號為1～20，且每個區(qū)域的1#的位置與第11#的位置分別設在區(qū)域中心的父本行左右邊緣處。相鄰兩個區(qū)域之間以父本為邊界，為防止區(qū)域中心的父本花粉傳播給相鄰區(qū)域的母本，區(qū)域與區(qū)域之間的父本不用于授粉作業(yè)，僅用于隔開相鄰兩個區(qū)域。每處采集點按照雜交水稻實際授粉作業(yè)的情況在水稻植株的穗層高度布置涂有凡士林的載玻片用來收集父本花粉。試驗時，無人飛機從區(qū)域中心的父本正上方飛過，示意圖如圖3 所示。現(xiàn)場試驗如圖4 所示。

圖3 試驗方案采集點布置示意圖

圖4 花粉采集試驗現(xiàn)場圖

2 結(jié)果與分析

2.1 無人飛機授粉作業(yè)效率

極飛P30 植保無人飛機設置的輔助授粉飛行速度為5 m/s，航道間距為5 m，在電池續(xù)航能夠保障的情況下，空載單架次輔助授粉面積約為2.33 hm2，1 d按7 h 飛行作業(yè)計算，單機1 d 可輔助水稻授粉60～66.67 hm2。無人飛機輔助授粉作業(yè)相對于傳統(tǒng)的人工繩索、竹竿振動父本和自然風力輔助授粉來說效率較高。

2.2 無人飛機授粉作業(yè)花粉分布

根據(jù)各試驗田花粉采集點載玻片的收集和統(tǒng)計，獲取了3 個試驗田各自花粉量的峰值、峰值位置、花粉分布密度等統(tǒng)計參數(shù)，如表1 所示。采用一天兩次無人飛機輔助授粉的試驗田A 的花粉采集數(shù)目和花粉平均分布密度明顯高于單次無人飛機輔助授粉試驗田B 以及自然授粉的試驗田C。說明無人飛機輔助授粉能顯著提高水稻的授粉效率和結(jié)實率。根據(jù)采集點的樣本，1#～10#采樣點花粉量明顯多于11#～20#采樣點，說明無人飛機授粉作業(yè)下旋翼產(chǎn)生的風場對花粉分布的影響呈非對稱性。

2.3 植保無人飛機輔助授粉經(jīng)濟效益比較

由表2 可以看出，試驗田A 和試驗田B 每667 m2產(chǎn)量分別為789.55 kg、737.22 kg，較參考對照的自然授粉試驗田C 的產(chǎn)量672.63 kg，每667 m2分別增產(chǎn)116.92 kg、64.59 kg，增產(chǎn)率分別達到17.38%和9.61%。根據(jù)2020 年市場行情，水稻單價按3 元/kg，植保無人飛機輔助授粉每667 m2每次作業(yè)成本5元計算，輔助授粉2 次每667 m2投入成本10 元，可增加純增效益340.76 元。輔助授粉1 次每667 m2投入成本5 元，可增加純增效益188.77 元，可見有植保無人飛機參與輔助授粉的水稻田A 和水稻田B經(jīng)濟效益增長顯著。

3 結(jié) 語

試驗表明，在水稻授粉期間，采用植保無人飛機于水稻花季后，距水稻作物冠層3～5 m，飛行速度300 m/min，航道間距5m 左右，空載單架次授粉面積2.33 hm2，1 d 作業(yè)7 h，每天單機可輔助水稻授粉60～66.67 hm2。輔助授粉2 次水稻每667 m2增產(chǎn)116.92 kg，每667 m2收益增加340.76 元；輔助授粉1次水稻每667 m2增產(chǎn)64.59 kg，每667 m2收益增加188.77 元。通過本試驗，探索出了在不能有效完成自然授粉的情況下能提高水稻授粉效果增加水稻產(chǎn)量的輔助授粉方法，對指導今后水稻生產(chǎn)具有較好的參考價值和廣闊的推廣利用前景。

表1 無人飛機授粉作業(yè)花粉分布

表2 植保無人飛機輔助授粉每667 m2 經(jīng)濟效益比較