基于北斗导航-RTK的农用无人飞机辅助授粉技术应用研究

姜宽舒，高菊玲，刘永华，于 泓，王艳莉，张丰山，何成勇，傅剑平

（1.江苏农林职业技术学院；2.江苏省现代农业装备工程中心，江苏 句容 212400）

0 引 言

杂交水稻是一项先进的粮食增产技术，杂交水稻的推广与应用也将是解决世界粮食危机的有效途径[1-2]。目前我国大范围应用的水稻制种和授粉是一种劳力密集型技术，主要依靠人工采用绳索、竹竿或木杆振动父本及自然风力辅助授粉，父本和母本只能采用小行比相间种植，不方便机械种植和收割，难以实现制种全程机械化，特别是母本机械收割前需采用人工割除父本，既费工又损失父本稻谷收入[3-4]。

近几年来，中国农用无人飞机迅速发展，为杂交水稻制种辅助授粉机械化提供了可能。本文利用电动多旋翼农用无人飞机进行杂交水稻制种和辅助授粉的应用与示范效果研究，为提高杂交水稻授粉质量和授粉作业效率提供理论指导和数据支持。

1 材料与方法

1.1 农用无人飞机及配套设备参数

室外辅助授粉作业采用的是目前农用无人飞机市场占有率较高的广州极飞科技P30 四旋翼植保无人飞机，设备外形尺寸为1 262 mm×1 250 mm×390 mm，对称电机轴距为1 560 mm，整机质量为16.05 kg。机身结构如图1 所示。可以实现一键起降，断点续飞，航线智能规划，雷达定高，也可根据地形和作物高度及时调整飞行高度，实现仿地飞行，并配备后台管理系统，可随时监测授粉作业轨迹和进度。机身装载的北斗—RTK 定位模块，可实现无人飞机厘米级精确定位[5-6]。

图1 辅助授粉植保无人飞机结构

水稻花粉的坐标点精确采集采用上海华测公司生产的高精度NX300 北斗定位测绘器，具有RTK差分定位功能，基站将经过差分的卫星信号通过通讯模块传递给测绘器，实现精确的厘米级定位。手持该RTK 测绘器给花粉采样点坐标定位，精确掌握各个采样点的位置坐标与间距。无人飞机搭载该系统移动站给作业航线绘制轨迹，通过北斗系统绘制的作业轨迹来观察实际作业航线与各花粉采样点之间的关系。花粉采集玻片利用万向夹使涂有凡士林的载玻片，如图2 所示，使用时将其固定于水平仪三脚架顶部，便于田间采集水稻花粉。

1.2 试验场地及制种组合

本次辅助授粉作业参数优选试验以杂交水稻品种京粳1 号和苏香粳100 为作业对象，种植于江苏农林职业技术学院禾木农博园杂交水稻繁育基地（119°25’58”E，32°24’51”N），试验区地势平坦，中壤土，肥力中等，地力均匀。2020 年8 月6 日，天气晴朗，最高气温37.3 ℃，最低气温28.1 ℃，平均气温32.7 ℃，相对湿度70%，风级1～2 级；8 月11 日，最高气温37.4 ℃，最低气温26.8 ℃，平均气温32.1℃，相对湿度65%，风级1～2 级。试验时水稻正处于开花期，平均株高父本为140 cm，母本为110 cm。

图2 涂有凡士林的载玻片

1.3 试验方案

试验设3 块标准试验田，其中田块A 分别于8月6 日和8 月11 日使用多旋翼无人飞机辅助授粉2 次，2 次辅助授粉间隔期4 d；田块B 在8 月6 日使用多旋翼无人飞机辅助授粉辅助授粉1 次；田块C为对照参考，自然授粉，不进行辅助授粉。每块标准试验田面积为2 hm2，处理间隔距离150 m，3 块试验田的初始情况及管理方式一致。无人飞机辅助授粉时间均为10∶00 前或16∶00 后。无人飞机的飞行高度距作物顶端3～5 m，产生的风力为4～5 级，以吹散花粉而不吹落花瓣为宜。

参考平时无人飞机授粉作业时的经验，极飞P 30 多旋翼无人飞机的辅助授粉作业高度一般设置在距离作物冠层3～5 m，飞行速度设为5 m/s 左右[7-8]。飞行试验分别在试验区水稻田的3 个区域依次进行，每个试验田区域的中心包含5 行父本作为授粉作业的花粉源，每块试验田内共布置20 个花粉采样点，采样点成直线等间距排列，且与区域中心的父本种植方向垂直。花粉采样点之间距离预设为2 m，从航线的左侧到右侧依次编号为1～20，且每个区域的1#的位置与第11#的位置分别设在区域中心的父本行左右边缘处。相邻两个区域之间以父本为边界，为防止区域中心的父本花粉传播给相邻区域的母本，区域与区域之间的父本不用于授粉作业，仅用于隔开相邻两个区域。每处采集点按照杂交水稻实际授粉作业的情况在水稻植株的穗层高度布置涂有凡士林的载玻片用来收集父本花粉。试验时，无人飞机从区域中心的父本正上方飞过，示意图如图3 所示。现场试验如图4 所示。

图3 试验方案采集点布置示意图

图4 花粉采集试验现场图

2 结果与分析

2.1 无人飞机授粉作业效率

极飞P30 植保无人飞机设置的辅助授粉飞行速度为5 m/s，航道间距为5 m，在电池续航能够保障的情况下，空载单架次辅助授粉面积约为2.33 hm2，1 d按7 h 飞行作业计算，单机1 d 可辅助水稻授粉60～66.67 hm2。无人飞机辅助授粉作业相对于传统的人工绳索、竹竿振动父本和自然风力辅助授粉来说效率较高。

2.2 无人飞机授粉作业花粉分布

根据各试验田花粉采集点载玻片的收集和统计，获取了3 个试验田各自花粉量的峰值、峰值位置、花粉分布密度等统计参数，如表1 所示。采用一天两次无人飞机辅助授粉的试验田A 的花粉采集数目和花粉平均分布密度明显高于单次无人飞机辅助授粉试验田B 以及自然授粉的试验田C。说明无人飞机辅助授粉能显著提高水稻的授粉效率和结实率。根据采集点的样本，1#～10#采样点花粉量明显多于11#～20#采样点，说明无人飞机授粉作业下旋翼产生的风场对花粉分布的影响呈非对称性。

2.3 植保无人飞机辅助授粉经济效益比较

由表2 可以看出，试验田A 和试验田B 每667 m2产量分别为789.55 kg、737.22 kg，较参考对照的自然授粉试验田C 的产量672.63 kg，每667 m2分别增产116.92 kg、64.59 kg，增产率分别达到17.38%和9.61%。根据2020 年市场行情，水稻单价按3 元/kg，植保无人飞机辅助授粉每667 m2每次作业成本5元计算，辅助授粉2 次每667 m2投入成本10 元，可增加纯增效益340.76 元。辅助授粉1 次每667 m2投入成本5 元，可增加纯增效益188.77 元，可见有植保无人飞机参与辅助授粉的水稻田A 和水稻田B经济效益增长显著。

3 结 语

试验表明，在水稻授粉期间，采用植保无人飞机于水稻花季后，距水稻作物冠层3～5 m，飞行速度300 m/min，航道间距5m 左右，空载单架次授粉面积2.33 hm2，1 d 作业7 h，每天单机可辅助水稻授粉60～66.67 hm2。辅助授粉2 次水稻每667 m2增产116.92 kg，每667 m2收益增加340.76 元；辅助授粉1次水稻每667 m2增产64.59 kg，每667 m2收益增加188.77 元。通过本试验，探索出了在不能有效完成自然授粉的情况下能提高水稻授粉效果增加水稻产量的辅助授粉方法，对指导今后水稻生产具有较好的参考价值和广阔的推广利用前景。

表1 无人飞机授粉作业花粉分布

表2 植保无人飞机辅助授粉每667 m2 经济效益比较