論農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的進(jìn)展范文
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美國農(nóng)業(yè)航空服務(wù)現(xiàn)狀
美國是世界上農(nóng)業(yè)航空技術(shù)最先進(jìn)，應(yīng)用最廣泛的國家，農(nóng)用飛機(jī)有20多個(gè)品種，根據(jù)機(jī)型劃分，可分為固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)兩大類;根據(jù)載荷不同，可分為大型和中小型兩類，大型旋風(fēng)式農(nóng)用飛機(jī)載重1.5t，中小型為0.5～1t。農(nóng)用飛機(jī)價(jià)格通常在100～140萬美元之間。美國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)航空公司2000多家，在用農(nóng)用飛機(jī)約4000架，注冊農(nóng)用飛機(jī)駕駛員3000多名，年處理耕地面積近3400萬hm2，占美國年處理耕地面積的40%。森林植保作業(yè)100%采用航空作業(yè)方式。美國農(nóng)業(yè)航空服務(wù)一個(gè)重要的特點(diǎn)就是有強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)航空組織體系，包括國家農(nóng)業(yè)航空協(xié)會和近40個(gè)州級農(nóng)業(yè)航空協(xié)會。國家農(nóng)業(yè)航空協(xié)會有來自于46個(gè)州的1700個(gè)會員，會員主要包括企業(yè)業(yè)主和飛行員。協(xié)會一方面為會員提供品牌保護(hù)、繼續(xù)教育、安全計(jì)劃、農(nóng)林業(yè)與公共服務(wù)業(yè)方面的聯(lián)系與信息服務(wù)，另一方面還積極開展提高航空應(yīng)用效率與安全性方面的研究與教育計(jì)劃。由于共同的利益與目標(biāo)，美國國家農(nóng)業(yè)航空協(xié)會還與政府機(jī)構(gòu)，包括美國聯(lián)邦航空管理局、美國環(huán)境保護(hù)署、美國農(nóng)業(yè)部、重要的科研機(jī)構(gòu)如美國農(nóng)業(yè)部南方平原研究中心以及材料與化學(xué)工業(yè)行業(yè)保持緊密聯(lián)系與合作。另外，協(xié)會還通過組織航空年會，為會員在新產(chǎn)品、新技術(shù)以及教育方面提供重要的交流機(jī)會，特別是新技術(shù)趨勢會吸引了眾多企業(yè)與農(nóng)場主，他們都希望能夠在會上尋求到更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)
農(nóng)業(yè)航空施藥作業(yè)是農(nóng)業(yè)航空服務(wù)最主要的作業(yè)項(xiàng)目。在美國，航空施藥作業(yè)規(guī)范齊全，施藥部件系列完善，能適合不同作業(yè)要求。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)手段如GPS自動導(dǎo)航、施藥自動控制系統(tǒng)、各種作業(yè)模型的逐步應(yīng)用，施藥作業(yè)變得更加精準(zhǔn)、高效，對環(huán)境的污染也在不斷降低。
1GPS導(dǎo)航施藥技術(shù)
美國的農(nóng)用飛機(jī)都配備精密儀器和設(shè)備，如GPS是很普遍的裝備，部分農(nóng)用飛機(jī)還配備流程控制、實(shí)時(shí)氣象測試系統(tǒng)和精確噴灑設(shè)備。飛機(jī)上的GPS系統(tǒng)，由駕駛艙儀表板上的移動地圖顯示裝置、指示燈條以及鍵盤組成。在施藥作業(yè)之前，施藥規(guī)劃人員通過手持GPS測量確定施藥作業(yè)區(qū)域的邊界點(diǎn)，當(dāng)這些邊界點(diǎn)加載到施藥飛機(jī)的GPS接收器上，就形成一個(gè)施藥區(qū)域地圖。GPS根據(jù)區(qū)域地圖規(guī)劃出施藥作業(yè)的航路圖，并準(zhǔn)確地使飛機(jī)沿著規(guī)定路線施藥，有效避免重噴和漏噴。當(dāng)藥箱中的藥液不夠時(shí)，GPS會記錄結(jié)束噴藥的關(guān)閉點(diǎn)，待藥液重新加載完成后，飛機(jī)會從關(guān)閉點(diǎn)開始繼續(xù)施藥。大多數(shù)GPS系統(tǒng)在駕駛艙內(nèi)都有一個(gè)顯示屏，可以實(shí)時(shí)顯示噴藥地塊、路線和飛機(jī)在已規(guī)劃航路中的位置，便于飛行員進(jìn)行監(jiān)控及修正。GPS獲取的作業(yè)信息，如飛機(jī)飛行軌跡、噴霧系統(tǒng)開與關(guān)、飛行速度等，也可以輸入到GIS系統(tǒng)中，用來分析施藥作業(yè)情況。這些信息也被作為一種合法的記錄，用于由于施藥可能產(chǎn)生的糾紛處理中［1］。
2航空噴嘴
美國航空施藥噴嘴根據(jù)霧化方式主要分兩種:液力霧化噴嘴和旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴(圖1)。航空用液力噴嘴的設(shè)計(jì)類似于地面施藥裝備的噴嘴，但是有較大的區(qū)別:一是由于飛機(jī)飛行的速度比較快，因此航空施藥液力噴嘴的流量非常大;二是由于航空噴嘴工作時(shí)會遇到高速空氣流，因此航空施藥液力噴嘴工作時(shí)會受到很大的空氣剪切力;三是航空噴嘴的安裝角度與地面噴嘴不同，高速空氣流會直接影響霧滴譜。典型的航空施藥液力噴嘴是CP噴嘴系列，多頭CP噴嘴可以提供多種孔徑，飛行員通過旋轉(zhuǎn)噴嘴座來改變噴量，通過快速調(diào)節(jié)噴桿實(shí)現(xiàn)噴嘴角度向前或向下改變。另外一種航空施藥噴嘴是旋轉(zhuǎn)式離心霧化噴嘴(Micron公司制造)，驅(qū)動方式有電動驅(qū)動和風(fēng)力驅(qū)動兩種形式。這種噴嘴主要有3個(gè)特點(diǎn):①霧滴可控，可以通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度，有效地控制霧滴直徑。②大流道結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，所以非常適合應(yīng)用于可溶性粉劑和懸浮劑的噴灑作業(yè)。③主要用于低量施藥，因此用此類噴嘴進(jìn)行航空施藥，通常只需要6～8個(gè)噴嘴。
3航空噴嘴模型
美國農(nóng)業(yè)部航空應(yīng)用技術(shù)研究中心研究出一種航空噴嘴噴灑模型，通過噴嘴的電腦模型，可以清晰了解噴嘴產(chǎn)生的霧滴情況，以便選擇并設(shè)計(jì)合適的作業(yè)參數(shù)。噴嘴模型可以通過噴嘴型式、噴霧壓力、氣流速度和噴霧藥液來預(yù)測將會產(chǎn)生的霧滴譜。目前，航空噴嘴模型不僅給使用者提供作業(yè)依據(jù)，還作為EPA、州監(jiān)管部門及相關(guān)人員等評估噴霧作業(yè)霧滴譜范圍是否符合農(nóng)藥使用標(biāo)簽規(guī)定的依據(jù)。噴嘴空中霧滴譜數(shù)據(jù)研究，最早從1954年開始，Akesson、Bouse、Hewitt、Picot等開展了在各種條件下、不同噴嘴霧滴譜的相關(guān)研究，但是這些研究數(shù)據(jù)獲取方式不統(tǒng)一。直到1990年，應(yīng)EPA的要求，由38家美國農(nóng)業(yè)化工公司資助的農(nóng)藥飄移研究小組收集、研究了大約2000個(gè)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)來評估飄移。1999年，美國農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會，ASAE，2005年更名為技術(shù)委員會又通過“合作標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目”，制訂了農(nóng)用噴霧霧滴譜分類標(biāo)準(zhǔn)。按照標(biāo)準(zhǔn)程序，SDTF獲得一系列噴嘴霧化數(shù)據(jù)，Hermansky、Hewitt分別建立模型來描繪了這些噴嘴［1～2］。建立噴嘴模型，引起了美國國家航空協(xié)會的興趣，它要求建立一些最常用噴嘴模型。隨后，NAA和USDA對市場上所使用的噴嘴進(jìn)行了調(diào)查，將固定翼飛機(jī)所使用的市場占有率超過5%以及一些具有獨(dú)特設(shè)計(jì)或霧化特性的噴嘴列入了名單，這些噴嘴包括現(xiàn)在市場占有率超過60%的CP可調(diào)噴嘴、水射流噴嘴(Lund、TVB等)。目前，美國DSDA-ARS的DropKirk模型已成為美國航空施藥作業(yè)條件選擇的重要依據(jù)［3］。
4航空飄移預(yù)測模型
美國十分重視農(nóng)藥噴灑作業(yè)中霧滴飄移引起的環(huán)境污染問題，對于航空施藥的安全區(qū)域，已有明確的法律條文規(guī)定。目前，飄移模型已成為決策是否允許航空施藥和處理相關(guān)糾紛的重要手段。20世紀(jì)70年代末到80年代初，美國林業(yè)局開始用計(jì)算機(jī)模型來分析和預(yù)測航空施藥中霧滴飄移、沉積情況。最早的模型是FSCBG模型，該模型研究天氣因素、蒸發(fā)情況和冠層穿透對沉積分布的影響，預(yù)測霧滴分布、沉積，用于制定施灑作業(yè)方案和對環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評估。在Teske等研究人員努力下，F(xiàn)SCBG模型發(fā)展成為著名的AGDISP模型。用戶可以輸入噴嘴、藥液、飛機(jī)類型、天氣因素等，通過對內(nèi)部數(shù)據(jù)庫調(diào)用，預(yù)測可能產(chǎn)生的飄移。該模型將飛機(jī)尾流、翼尖渦流、直升機(jī)旋翼下旋氣流和機(jī)身周邊空氣擾動納入到對霧滴的影響因素，把航空施藥的噴灑霧滴作為離散對象進(jìn)行分析，以平均直徑和體積分?jǐn)?shù)為衡量參數(shù)，再將數(shù)據(jù)經(jīng)過拉格朗日方程處理，得到霧滴的運(yùn)動軌跡，以此來預(yù)測霧滴的運(yùn)動和地面沉積模式，可以說該模型的建立為其他模型奠定了基礎(chǔ)。在AGDISP模型的基礎(chǔ)上，STDF做了一系列田間試驗(yàn)，為建立計(jì)算機(jī)飄移模型數(shù)據(jù)庫奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。STDF與EPA合作，在2002年正式注冊了AGDRIFT模型，用于官方監(jiān)管農(nóng)業(yè)航空噴霧施藥相關(guān)事宜。近幾年，AGDISP模型還不斷地被完善。Teske和Thistle等針對AGDISP模型預(yù)測范圍小的缺陷，對該模型進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，運(yùn)用靜態(tài)高斯模型法、高斯云團(tuán)模型和物理角度分析飛機(jī)尾流、大氣湍流相互作用、N-S方程求解3種方法，將該模型有效準(zhǔn)確預(yù)測范圍擴(kuò)至20km;澳大利亞Hewitt等將地理信息系統(tǒng)引入到航空飄移模型中，通過對實(shí)時(shí)風(fēng)速的測定來優(yōu)化噴施策略，以減少在非靶標(biāo)區(qū)域的農(nóng)藥飄移損失［4］;新西蘭Praat等開展了從噴霧器(機(jī))和作物冠層特性角度出發(fā)，進(jìn)行一系列飄移研究;德國Kaul等也基于一些具體作物進(jìn)行了相關(guān)的沉積、飄移研究，取得了一定的進(jìn)展［5］。美國Hoffmann、Fritz和Lan通過一系列噴嘴在低速風(fēng)洞中測得的尺寸和流量建立了WTDISP模型，然后用同樣的噴嘴做實(shí)際試驗(yàn)，得到了很好的對比結(jié)果［6～7］。
5航空靜電噴霧技術(shù)
靜電噴霧技術(shù)可以增加霧滴在靶標(biāo)上的沉積，減少非靶標(biāo)區(qū)的飄移，在溫室、果園等地面噴灑作業(yè)中已有成功應(yīng)用。1966年，Carlton等開展航空靜電噴霧技術(shù)研究［8］，1999年Carlton獲得航空靜電噴霧系統(tǒng)專利［9］，此專利被美國SES公司購買并形成商業(yè)化產(chǎn)品。與地面靜電噴霧系統(tǒng)不同的是，每個(gè)航空靜電噴嘴為相距30mm相連的2個(gè)噴嘴組成(圖2)。航空靜電噴霧系統(tǒng)的靜電發(fā)生器，分別產(chǎn)生正或負(fù)電壓，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，安裝在飛機(jī)的機(jī)翼兩側(cè)的航空靜電噴嘴，分別與靜電發(fā)生器的正或負(fù)壓輸出端連接，使兩機(jī)翼負(fù)載的正、負(fù)電壓達(dá)到平衡，機(jī)身或噴霧支架上總靜電場近似于零。靜電噴霧系統(tǒng)的霧滴感應(yīng)充電電壓為8～10kV，噴嘴工作壓力為0.5MPa，霧滴VMD約為150μm，施藥液量為9～18L/hm2。近年來，美國學(xué)者對航空靜電噴霧系統(tǒng)的作業(yè)效果做了一些評估試驗(yàn)，2001年Kirk、Hoffmann、Carlton研究了系統(tǒng)在棉花上的田間應(yīng)用效果［10］，2003年Kirk研究了系統(tǒng)抗飄移性能［11］，試驗(yàn)結(jié)果表明，航空靜電噴霧系統(tǒng)可有效減少施藥液量和提高藥液沉積量，但是沒有提高病蟲害防治效果和減少下風(fēng)處的噴霧飄移。由于美國農(nóng)藥標(biāo)簽規(guī)定施藥量大于靜電施藥量，航空靜電噴霧系統(tǒng)價(jià)格與應(yīng)用效果等方面的問題，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
6航空變量施藥技術(shù)
航空變量施藥技術(shù)，是將不同空間單元的數(shù)據(jù)與多源數(shù)據(jù)(土壤性質(zhì)、病蟲草害、氣候等)進(jìn)行疊加分析為依據(jù)，根據(jù)不同地塊的不同要求，有針對性的進(jìn)行作業(yè)。航空遙感與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，利用軟件轉(zhuǎn)換為處方圖，提供給飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)制造商。變量控制系統(tǒng)下載這種處方圖，利用處方圖來控制施藥量。航空精準(zhǔn)施藥系統(tǒng)有2個(gè)主要部件:GPS系統(tǒng)和變量施藥控制系統(tǒng)。HemisphereGPS公司2010年產(chǎn)品AirIntelliStar采用了一種新的技術(shù)———Crescent接收器，這種新的接收器的頻率為20Hz，使飛行員操作盤接收的信號1s能夠更新20次。與普通的5Hz或10Hz相比，20Hz的頻率能夠提供更精確的信號，因?yàn)轭l率越高，系統(tǒng)就能夠更準(zhǔn)確、更準(zhǔn)時(shí)地作出相應(yīng)的變量控制。還有許多其他的公司提供類似的技術(shù)裝備，AG-NAV公司有一種型號為AG-NAV2的導(dǎo)航設(shè)備，它可以提供給飛行員田地寬度、方向?qū)Ш揭约捌渌鳂I(yè)信息。Adapco公司生產(chǎn)的WingmanGX具有較大的使用范圍，可以提供基本的飛行指導(dǎo)、飛行記錄、噴灑流量控制等功能，是一個(gè)先進(jìn)的空中噴灑管理系統(tǒng)，WingmanGX系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)通過氣象傳感器系統(tǒng)接收和處理氣象信息，準(zhǔn)確的氣象信息分析減少了噴灑過程中農(nóng)藥在非靶標(biāo)作物上的飄移量，最大程度地優(yōu)化噴灑質(zhì)量。由于航空變量噴灑系統(tǒng)的應(yīng)用時(shí)間不長，所以關(guān)于農(nóng)藥投放和變量系統(tǒng)反應(yīng)精確度的信息很少。2005年，Smith和Thomson選擇了一個(gè)經(jīng)緯度已知的區(qū)域評估了SatlocAirstarM3導(dǎo)航系統(tǒng)的GPS的位置及機(jī)械系統(tǒng)反應(yīng)滯后問題［12］。2009年，Thomson等測試了流量變量控制系統(tǒng)的定位精度，并且通過給出一些變量指令，觀察它反應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性，相應(yīng)地改進(jìn)了控制系統(tǒng)［13］。
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的研究現(xiàn)狀
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)是利用各種技術(shù)和信息工具來實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)率的最大化。這種新的技術(shù)可以使航空施藥更加精確、更有效率。近幾年來，包括全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、土壤地圖、產(chǎn)量監(jiān)測、養(yǎng)分管理地圖、航拍、變量控制器和新類型的噴嘴如寬頻調(diào)制變量噴嘴等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，進(jìn)一步促進(jìn)了航空應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。機(jī)載遙感系統(tǒng)可以產(chǎn)生精確的空間圖像用來分析農(nóng)田植物的水分、營養(yǎng)狀況，病蟲害的狀況;空間統(tǒng)計(jì)學(xué)可以更好地分析空間圖像，通過圖像處理將遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成處方圖，從而實(shí)現(xiàn)航空變量施藥作業(yè)。因此，遙感、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)、變量施藥控制技術(shù)對于航空精準(zhǔn)變量施藥作業(yè)系統(tǒng)都是至關(guān)重要的［14］。
1遙感技術(shù)
近幾年，隨著一系列探測地球資源衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星遙感技術(shù)已成為用于特定地點(diǎn)監(jiān)測和管理作物生長狀況的重要和有效的工具。一些商業(yè)衛(wèi)星公司通過遙感技術(shù)提供不同的空間、光譜特性和分辨率的衛(wèi)星影像，再利用這些動態(tài)變化的衛(wèi)星影像來監(jiān)測作物長勢，并對作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然在成像幅度和成像擺角等方面有顯著優(yōu)勢，但是也有很多不足，例如確定這些系統(tǒng)的光譜波段、飛行位置以及高度和采集時(shí)間是很困難的。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、圖像處理技術(shù)和數(shù)碼攝錄技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)高效的航空遙感系統(tǒng)來克服衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的不足，成為一種新趨勢。航空遙感系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是機(jī)動靈活、作業(yè)選擇性強(qiáng)、時(shí)效性好、準(zhǔn)確度高。遙感裝置包括:數(shù)碼相機(jī)、CCD(電耦合器件)照相機(jī)、攝像機(jī)、高光譜照相機(jī)、多光譜照相機(jī)、熱成像照相機(jī)。高光譜成像和多光譜成像的區(qū)別在于光譜波段的數(shù)量。多光譜一般包含幾個(gè)光譜波段數(shù)據(jù)，光譜往往并不是連續(xù)的。高光譜包含了幾十個(gè)到數(shù)百個(gè)波段數(shù)據(jù)，并且是一套連續(xù)的光譜波段。在過去的10年里，航空高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用一直穩(wěn)步增長。Goel、Yang、Dobermann等開展了利用高光譜技術(shù)進(jìn)行高粱、棉花的產(chǎn)量評估報(bào)告工作［15～21］。Huang、Pinter、Yang等研究表明，與高光譜圖像的系統(tǒng)相比，因?yàn)榻档土藬?shù)據(jù)密度，多光譜系統(tǒng)便宜得多，適合獲取作物、土壤、雜草或地面覆蓋信息，是服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)藥噴灑既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的技術(shù)手段［22～26］。通常，在實(shí)際的航空遙感應(yīng)用中，要基于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性來選擇不同類型的光譜成像系統(tǒng)。
2遙感飛機(jī)
航空遙感系統(tǒng)的飛機(jī)主要以小型農(nóng)用飛機(jī)和無人駕駛直升飛機(jī)為主。圖3所示為USDA-ARS大面積病蟲害管理研究中心航空應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)用于航空遙感系統(tǒng)的飛機(jī)。其中圖3a為空中拖拉機(jī)公司生產(chǎn)的402-B型農(nóng)用飛機(jī)，裝載一個(gè)整合的氣象系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地測量和記錄風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度以及壓力。圖3b為Cessna公司生產(chǎn)的206型農(nóng)用飛機(jī)，主要用于航空遙感系統(tǒng)，機(jī)載系統(tǒng)包括:數(shù)碼相機(jī)、多光譜相機(jī)、TerraHawk遙感系統(tǒng)(圖4)。圖3c為Rotomotion公司生產(chǎn)的SR20型和SR200型無人駕駛直升飛機(jī)，其中SR20使用電池供電飛行時(shí)間約為25min，可以承載2.25kg的載荷;SR200使用汽油燃料提供動力飛行時(shí)間可達(dá)到1h，可以承載約22.5kg的載荷。兩種機(jī)型都可以通過軟件實(shí)時(shí)控制飛行路線，或者按照預(yù)先設(shè)定好的路線飛行。圖3d為AgHusky農(nóng)用飛機(jī)，同樣是Cessna公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，裝載了一個(gè)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和變量控制系統(tǒng)，主要用于變量航空噴灑技術(shù)的研究。
3空間統(tǒng)計(jì)學(xué)
空間統(tǒng)計(jì)學(xué)首次提出和形成于20世紀(jì)50年代。近些年來，隨著地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)的發(fā)展，空間統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)引起越來越多的重視，已被廣泛用于空間數(shù)據(jù)的建模與分析，并且用于自然科學(xué)如地球物理學(xué)、生物學(xué)、流行病學(xué)和農(nóng)業(yè)。大量研究成果表明，空間統(tǒng)計(jì)學(xué)具有在農(nóng)業(yè)管理中應(yīng)用的優(yōu)越性和好處。Stein等通過給玉米提供不同劑量的氮肥，然后利用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)建立不同的模型來監(jiān)測玉米的產(chǎn)量［33］。通過此研究，他們強(qiáng)調(diào)了空間分析在降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、制定可變資源配置上的優(yōu)越性。Bongiovanni等發(fā)現(xiàn)，把空間回歸分析應(yīng)用于產(chǎn)量管理，可以用來調(diào)節(jié)玉米和大豆氮肥的變量施肥策略［34～35］。Lambert等指出利用空間經(jīng)濟(jì)學(xué)、空間地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、空間趨勢分析氮肥的使用量比普通的最小二乘法、相鄰分析法能夠提供更精確、更強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)保證［36］。Yao等利用土壤樣本數(shù)據(jù)、航空高光譜成像系統(tǒng)和空間統(tǒng)計(jì)學(xué)成功地制作了一幅土壤營養(yǎng)圖［37］。Misaghi等使用空中圖像、土壤參數(shù)、作物參數(shù)制作了預(yù)測草莓產(chǎn)量的模型［38］。Bajwa等建立了不同的空間模型測試各種各樣變化的歸一化植被指數(shù)，數(shù)據(jù)來源于遙感技術(shù)可見光和近紅外地區(qū)的成像，以應(yīng)對氮含量和葉柄硝態(tài)氮含量的營養(yǎng)預(yù)測［39］。Huang等發(fā)現(xiàn)遙感圖像可以用來預(yù)測空間模型和地面的土壤特性和作物冠層覆蓋率等［40］。總的來說，遙感圖像數(shù)據(jù)和空間統(tǒng)計(jì)方法，可以提供有價(jià)值的、完整的信息管理。這些信息可用于制作配方、產(chǎn)量等應(yīng)用地圖，支持變量精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)。
研究趨勢
目前，美國等發(fā)達(dá)國家在農(nóng)業(yè)航空技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)，主要有以下3個(gè)方面。
1圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)
圖像的實(shí)時(shí)處理可以彌合遙感和航空變量噴灑的差距。數(shù)據(jù)的采集和處理是精細(xì)航空噴灑的重要部分之一，無論是空中圖像采集、地面?zhèn)鞲衅骷皟x器的監(jiān)測、人們的觀察，或?qū)嶒?yàn)室樣品的檢測，其數(shù)據(jù)分析必須正確，這樣才便于更好地了解因果關(guān)系。為了能準(zhǔn)確地繪制航空變量噴灑的地圖，收集實(shí)時(shí)的多光譜圖像是一個(gè)挑戰(zhàn)。研究的最終目標(biāo)是建立一個(gè)界面友好的圖像處理軟件系統(tǒng)，旨在快速分析空中圖像的數(shù)據(jù)，以便于在數(shù)據(jù)采集后可立即進(jìn)行變量噴灑。
2多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)
多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以把不同位置的多光譜數(shù)據(jù)、多分辨率數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、生物數(shù)據(jù)加以綜合，消除傳感器間可能存在的冗余和矛盾的數(shù)據(jù)互補(bǔ)，降低其不確定性，形成對系統(tǒng)的相對完整一致的感知描述，從而提高遙感系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反映的快速性和正確性，降低決策風(fēng)險(xiǎn)。
3變量噴灑系統(tǒng)
目前，現(xiàn)有的商業(yè)變量噴灑控制設(shè)備成本高并且操作困難，因此在應(yīng)用方面受到限制。所以需要開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)的、應(yīng)用軟件界面友好的整合系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)處理空間分布信息并指導(dǎo)在有效面積上的噴灑作業(yè)。此外，噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到釋放最佳霧滴大小的目的，并提供最大的應(yīng)用效果，尤其是噴嘴的大小應(yīng)根據(jù)適當(dāng)?shù)膲毫缦薅O(shè)計(jì)，同時(shí)可以調(diào)節(jié)噴嘴的最佳壓力范圍。精確的航空噴灑作業(yè)系統(tǒng)使得農(nóng)藥的利用更加合理和有效，從而滿足農(nóng)民的要求，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。
結(jié)束語
隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)航空發(fā)展空間更為廣闊。病蟲害管理和農(nóng)藥使用更合理，對環(huán)境影響更小。學(xué)習(xí)并借鑒先進(jìn)國家的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對推動我國農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展具有積極作用。（本文作者：薛新宇、蘭玉彬單位：農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、美國農(nóng)業(yè)部南方平原研究中心）
