技术名称：基于无人飞机的水稻长势快速监测与精准变量施肥技术
技术单位：华南农业大学
联系人：周志艳、姜锐 13560026139
技术解决的主要问题：基于无人飞机的水稻长势快速监测与精准变量施肥技术主要解决4个方面的问题：（1）解决传统人工田间水稻长势调查劳动强度大、长势判断精度不高的问题。同时，相比卫星遥感和航空遥感，无人飞机遥感监测具有成本低、时效强、无损检测、不受大气影响、高分辨率等特点，为田块尺度的水稻遥感应用提供了新的工具；（2）解决水稻生长对遥感数据的及时性要求问题。基于无人飞机平台，通过采用非全局采样的方法，在传感器层面引入“感存算一体化”机制和“端边云”协同数据处理策略，同时结合冠层光谱反射与植物含氮量关系模型，可快速生成水稻群体长势专题图用于准确诊断水稻生长信息，生成变量施肥作业处方图可指导施肥机械自动变量精准施肥作业；（3）解决地面农机水田通过性差、下田施肥难、易压伤作物、作业幅宽受限等问题。通过无人飞机搭载变量施肥装置和北斗卫星导航定位系统，实现了对水稻不同生长期肥料的无人化、机械化撒施，节约了人工施肥成本，提高了施肥作业效率；（4）解决传统施肥机械肥料撒施落点均匀性差、变量控制精度不高的问题。施肥无人飞机结合加载变量施肥处方图的地面控制站，可按照规划航线自动变量作业，肥料“补缺”精准到位，肥料撒施均匀，用量精准，在保产稳产的基础上，肥料利用率大幅提高。基于无人飞机的水稻长势快速监测与精准变量施肥技术不仅通过无人飞机低空遥感对水稻进行快速的“察颜观色”，快速获知水稻生长的营养丰缺情况，再根据专家知识及决策支持系统生成施肥处方图，采用变量施肥无人飞机执行施肥处方图作业，特别在水田、深泥脚田和丘陵山地等地块通过性较差，传统机械作业范围受限的地区，该技术解决了部分地区机械化变量施肥的问题，是对地面施肥机械的重要补充，对推动水稻机械化智能化生产具有重要意义。
与现有或同类技术的比较优势：基于无人飞机的水稻长势快速监测与精准变量施肥技术相比同类技术具有以下优势：（1）基于无人飞机的水稻长势快速监测技术，突破了精准高效的低空遥感监测、水稻长势快速解析难题，比国外传感器（MicasenseRedEdge系列）成本降低50%，长势解析效率提高10倍以上，实现了千亩水稻遥感监测落地后5min内水稻长势图的快速生成；（2）基于无人飞机的精准变量施肥技术相比地面变量施肥机，不存在通过性差、易陷车的问题，同时无人飞机规格较小，可以方便灵活的在田块内转运，田埂、机耕道、排水渠等农田基础建筑不会影响无人飞机的作业，此外，无人飞机的飞行速度优于地面施肥机械，复合肥最大排料量达到191.27kg/min，变量施肥作业准确率最高达98.39%，已成为水稻生产施肥作业高工效的精准化作业工具；（3）施肥无人飞机实现了待规划区域任意角度和宽度的农用无人飞机作业航线自动生成，无人飞机可按规划航线飞行和自动变量作业，能自主起降，断点续航，大幅度减少了劳动力投入，且肥料撒施均匀、用量精准，解决了传统的人工表面撒施肥造成的肥料浪费和分布不均匀等问题，撒施肥料可以促使水稻需要时及时吸收养分，提高了水稻长势的一致性，亩均氮肥用量比传统施肥最大可减少30%，产量与传统施肥处理相比增产6~10%。该技术已在广东、广西、湖南等省（区）进行了应用示范。多地应用示范对比试验的测产结果表明，示范区内采用遥感模型施肥技术的水稻田块，亩均氮肥用量比传统施肥最大可减少30%，且营养生长整齐一致，青枝腊秆，籽粒饱满，产量与传统施肥处理相比增产6-10%，亩均增收节支可达100元。该项技术通过精准用肥从而达到了稳产、节本、绿色环保的效果，其发展潜力巨大。
技术要点以及对生态环保的影响：1.技术要点。（1）稻田高清底图精准构建技术。通过单目高分成像技术和RTK差分定位技术的有效结合，实现了无人飞机航拍遥感作业曝光位置信息和“一图多谱”影像的精准获取，构建了稻田多波段的高清底图，为变量作业提供基础数据支撑；（2）水稻长势信息快速监测技术。通过遥感数据感知-存储-计算一体化处理方法，结合“端采集-边存储-云计算”的协同处理策略，实现了更高的遥感数据采集效率和更短的遥感数据后处理时间，稻田多光谱遥感影像的实时性大幅提高；（3）变量施肥处方智能决策技术。基于高清底图和稻田多光谱遥感影像数据，结合农艺生产实际、专家知识和养分需缺模型，通过水稻冠层光谱数据在线生成水稻长势专题图，配合施肥无人飞机作业参数决策形成施肥作业处方图；（4）肥料可控排量精准撒施技术。基于无人飞机平台，研制槽轮式的排料装置，实现施肥量的精准控制，并设计多流道排料口提高气固两相流粒度分布一致性，同时研发智能航线作业算法，可根据处方图和无人飞机位姿信息进行作业点预瞄，保障肥料排量和落点精准可控。2.对生态环保的影响。肥料过量施用不仅增加水稻生产成本，还会影响水稻产量和品质，同时大量肥料涌入土壤没有得到水稻根系的充分吸收，会残留在土壤中，结合土壤原有化学成分发生反应，形成盐化基质进入土壤深层内部，甚至流入到地下水源，造成多层次的污染和富营养化；（1）通过精准判断水稻长势并制定需肥量，通过北斗定位需肥区域，使用变量施肥无人飞机进行低空撒肥作业，能够做到施肥的“按需补肥，绝不浪费”，可有效保障农田土壤养分含量和水稻养分需求量的动态平衡，为有关部门开展农业面源污染防控工作提供支撑；（2）水稻生长养分的精准管理，能够增强水稻群体质量，提升抵抗病虫害胁迫能力，保障每一簇水稻的营养状况和健康水平，降低水稻倒伏风险，进而间接地减少农药的使用，降低农药次生为害和负面影响，提升水稻生产的绿色发展水平。
技术适宜推广区域：基于无人飞机的水稻长势快速监测与精准变量施肥技术适宜推广的区域包括：（1）水稻主产区。包括一季稻、双季稻、多季稻地区均适宜推广该技术，该技术对水稻生产地没有特殊要求，仅需要结合当地农艺要求开展精准遥感监测与变量施肥作业；（2）丘陵山地的水稻产区。如江西、广东、湖南、广西等地，这些地方的稻田地块分散、形状不一，更加适宜推广该技术，有利于这些地方水稻生产管理机械化发展；（3）杂交水稻制种基地。通过将基于无人飞机的水稻长势快速监测与精准变量施肥技术引入到杂交水稻制种基地，对制种父母本进行养分精准管理，促进杂交水稻养分吸收，保障制种产量和质量；（4）水稻生产机械化较发达地区。通过引入无人飞机对水稻进行养分精准管理，能够充分提高大地块、大农场、高标准农田的生产效益，结合智能地面机械的优势形成“地-空”协同作业模式，提升水稻生产的投入回报率，提高农机装备的综合利用率，减少无人飞机的远途转场成本，多机协同完成大面积水稻的生产管理任务，综合提升水稻生产机械化、智能化、无人化水平。
