小型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响

小型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响内容摘要：

第 32 卷 2016 年 40 第 17 期 9月 农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Vol.32 No.17 Sep. 2016 小型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响 陈盛德 1,2，兰玉彬 1,2※，李继宇 1,2，周志艳 1,2，金 济 1,2，刘爱民 3 （1. 华南农业大学工程学院，广州 510642； 2. 广东省农业航空应用工程技术研究中心，广州 510642； 3. 湖南隆平种业有限公司，长沙 410006） 摘 要：为了初探小型无人直升机航空喷施雾滴在水稻冠层沉积分布规律，主要通过不同的飞行参数研究了不同喷雾作 业参数对水稻冠层的雾滴沉积分布的影响。该试验以 HY-B-10L 型单旋翼电动无人机搭载北斗定位系统 UB351 绘制作业 轨迹，以质量分数为 5‰的丽春红 2R 水溶液模拟生长调节剂喷施沉积情况，以图像处理软件 DepositScan 来分析靶区和 非靶区的雾滴沉积参数得出雾滴的沉积分布结果。结果表明：3 次试验中的雾滴沉积分布趋势均相似，且飞行高度和飞 行速度对靶区内采集点上雾滴平均沉积量影响均显著，对雾滴沉积均匀性影响并不显著。3 次试验中靶区的雾滴沉积量 随着高度的增加而减少，总雾滴沉积量分别为 2.380、1.905、1.156 μL/cm2，采集点的平均沉积量分别为 0.198、0.159、 0.064 μL/cm2；在作业高度为 1.92 m 时雾滴沉积平均均匀性最佳，且非靶区的雾滴漂移总量最少，为 0.174 μL/cm2。另外， 第 1、2 条采集带上靶区内的雾滴沉积量均明显多于作业速度较大的第三条采集带上的雾滴沉积量，3 次试验中，第一、 2 条采集带上雾滴沉积总量的平均值分别高于第 3 条采集带上雾滴沉积总量的 184.27%、53.51%、72.31%；且由于外界 风场的影响，作业航线下风向的雾滴沉积量和漂移距离均大于作业航线上风向的雾滴沉积量和漂移距离；以及由于飞行 速度的影响，非靶区航线下风向第 3 条雾滴采集上的雾滴漂移量均大于第 1、2 条雾滴采集带上的雾滴漂移量。该结果较 好地全面揭示了作业参数对航空喷施雾滴沉积分布结果的影响，并从风场因素方面推测了对雾滴沉积的影响，对药液的 合理喷施、提高喷施效率具有十分重要的指导意义。 关键词：喷雾；机械化；作物；无人直升机；雾滴；沉积 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.17.006 中图分类号：S252 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2016)-17-0040-07 陈盛德，兰玉彬，李继宇，周志艳，金 济，刘爱民. 小型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响[J]. 农业工程学报，2016，32(17)：40－46. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.17.006 http://www.tcsae.org Chen Shengde, Lan Yubin, Li Jiyu, Zhou Zhiyan, Jin Ji, Liu Aimin. Effect of spray parameters of small unmanned helicopter on distribution regularity of droplet deposition in hybrid rice canopy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 40 － 46. (in Chinese with English abstract) doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.17.006 http://www.tcsae.org 0 引 言 杂交水稻的推广应用，开拓了中国粮食增产的新途 径，为解决 13 亿人口的吃饭问题发挥了重大作用[1]。杂 交水稻制种技术则为杂交水稻的稳步发展起到了决定性 的作用。在杂交水稻制种的过程中，除重视培育壮秧等 稻作传统技术对穗粒结构和植株异交性状的影响外，还 普遍采用在穗部喷施赤霉素等生长调节剂和微量元素解 决母本包颈，提高柱头外露率[2]，增强柱头活力，使母本 穗层、穗粒的异交结构大为改善，异交结实率从 10%迅 速提高到 30%[3]，因此，在杂交水稻孕穗期，生长调节剂 收稿日期：2015-11-22 修订日期：2016-06-26 基金项目：国际农业航空施药技术联合实验室建设（2015B050501009），广 东省自然科学基金自由申请项目（2015A030313420） 作者简介：陈盛德，男（汉），湖北，博士生，主要从事农业航空喷施技术 研究。广东省广州市天河区华南农业大学工程学院，510642。 Email：1163145190@qq.com ※通信作者：兰玉彬，男（汉），吉林，教授，中国农业工程学会农业航空 分会常务副主任，主要从事精准农业航空方向研究。广东省广州市天河区华 南农业大学工程学院，510642。Email：ylan@scau.edu.cn.中国农业工程学会 高级会员（E041200725S） 的适当适时喷施是杂交水稻制种技术的重大突破，对提 高制种结实率具有十分重要的意义。 随着杂交水稻制种面积的迅速扩大，如何实现对生 长调节剂的快速有效喷施已成为人们普遍关心的问题。 目前，中国农用喷施方式主要包括人工喷施、地面机械 喷施和航空喷施[4-5]；其中，传统的人工喷施方式作业劳 动强度大、效率低、耗时长，由于杂交水稻孕穗期较短， 一旦错过最适喷施时期，将不能得到最佳的异交结实率； 地面机械喷施方式作业成本高、药剂有效利用率低[6-7]， 且存在下田作业困难，易损伤农作物及土壤物理结构， 影响农作物后期生长；而农用航空喷施作为中国近年来 的新型喷施方式，改变了中国传统喷施方式的弊端，农用 航空喷施作业效率高、成本低、喷施效果好，且可解决水 稻生长过程中地面机械难以下田作业的问题等等[8-9]，正逐 渐成为人们首选的喷施作业方式。 目前，作为农业航空的重要标志之一的航空喷施作 业在近年来的迅速发展和应用引起了人们广泛关注[10]。 随着航空喷施方式的应用，针对其作业质量和雾滴沉积 分布效果，国内外学者均进行了一些探索[11-14]。邱白晶 等通过采用二因素三水平试验方法研究了 CD-10 型无人 第 17 期 陈盛德等：小型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响 直升机喷雾沉积浓度、沉积均匀性与飞机飞行高度、飞 行速度及两因素间的交互作用的关系，并建立了相应的 关系模型[15]；秦维彩等通过改变 N-3 型无人直升机的作 业高度和喷洒幅度对玉米进行喷施试验，研究了喷洒参 数对玉米冠层的雾滴沉积分布的影响[16]；Fritz 等通过试 验评估了风场和喷嘴对航空喷施雾滴沉积和漂移分布效 果的影响[14,17]；Huang 等通过研究影响因素对雾滴沉积分 布独立影响的特性，预测并试图选出最大影响因子控制 和减少药液雾滴漂移[18]。在中国南方主要是以小型无人 直升机作业为主，对于小型无人直升机，目前还未见在 各种不同作业参数的条件下深度分析对雾滴在水稻冠层 沉积与漂移影响的相关报导。因此，本文通过在不同飞 行参数和外界风场条件下对杂交水稻冠层的喷施试验以 及北斗系统得出的精确作业参数来研究影响因素对雾滴 沉积分布情况的影响，比较准确地找出了 HY-B-10L 型单 旋翼电动无人直升机航空喷施雾滴在不同喷雾参数下的 沉积分布规律，为减少航空喷施药液漂移提供理论指导 和数据支持。 1 材料与方法 1.1 仪器设备 本次喷雾作业采用的是深圳高科新农技术有限公司 提供的主流机型——HY-B-10L 型单旋翼电动无人直升 机，如图 1a 所示，主要性能指标如表 1 所示。 41 环境监测系统包括便携式风速风向仪和试验用数字 温湿度表，风速风向仪用于监测和记录试验时环境的风 速和风向，温湿度表用于测量试验时环境的温度及湿度。 北斗定位系统为航空用北斗系统 UB351，具有 RTK 差分定位功能，平面精度达(10+5×D×10-7)mm，高程精度 达(20+1×D×10-6)mm，其中，D 表示该系统实际测量的距 离值，单位为 km。无人机搭载该系统移动站给作业航线 绘制轨迹及给各个雾滴采样点定位，通过北斗系统绘制 的作业轨迹来观察实际作业航线与各雾滴采集点之间的 关系。 1.2 试验方法 1.2.1 试验场地 该试验于湖南省武冈市隆平种业公司杂交水稻制种 基地进行，作物生育期为拔节孕穗期，平均高度为 60～ 80 cm，水稻采用机械插秧，水稻植株之间的行列间距为 17 cm×14.5 cm。 1.2.2 采样点布置 如图 2 所示，在足够大的地块中设置不同间隔距离 的 3 条雾滴采集带（第一条采集带与第二条采集带之间 间隔 5 m，第二条采集带与第三条采集带之间间隔 15 m）， 每条采集带上设置无人机的靶区及在靶区的左右设置 2 个非靶区，其中，靶区根据无人机的有效喷幅宽度设置 雾滴采集点，根据给出的无人机有效喷幅参数为 4～6 m， 因此预设靶区的宽度为 5 m，在非靶区同样采取此种采集 布点方法，即每块非靶区也设置宽度为 5 m 的雾滴采集 区，此外，2 个雾滴采集点之间间隔 1 m。 根据以上布点方法， 每条采集带有 16 处雾滴采集点， 从航线的左侧到右侧依次编号为 1#~16#，试验区域共有 48 处雾滴采集点，在每处采集点按照杂交水稻喷施生长 调节剂的实际情况在水稻植株的穗层高度布置雾滴采集 卡以收集喷洒雾滴。 图 1 试验装置实物现场图 Fig.1 Test set-up photo site 表 1 无人机主要性能指标 Table 1 Main performance index of UAV 主要参数 Main parameter 机型型号 Type 规格及数值 Norms and numerical HY-B-10L 单旋翼电动无人机 HY-B-10L single rotor electric UAV 外形尺寸 Size/mm×mm×mm 17 60×580×750 主旋翼/尾旋翼直径 Main/Tail rotor diameter/mm 2 080/350 最大载药量 Maximum load/L 10 作业速度 Flight speed/(m·s-1) 0～8 作业高度 Fl