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施肥植保一體化中無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用策略

2.1   基于施肥要求選擇無人機(jī)設(shè)備

在進(jìn)行施肥植保一體化工作時(shí)，要進(jìn)行土壤檢測(cè)以了解土壤的養(yǎng)分含量和pH值。這將幫助確定適合作物生長(zhǎng)的肥料類型和施用量。根據(jù)土壤檢測(cè)結(jié)果，制定適當(dāng)?shù)氖┓视?jì)劃，選擇不同的施肥方法，如基肥、追肥、葉面噴施等?；适窃诓シN或移栽前施加于整個(gè)田地的肥料。而追肥則是在作物生長(zhǎng)期間分次追加的肥料。葉面噴施可通過噴霧器將液態(tài)肥料均勻噴灑在玉米葉片上[3]。除了施肥，還要關(guān)注植物保護(hù)。使用合適的農(nóng)藥來防治病蟲害，并注意遵循正確的施藥劑量和時(shí)間。

以玉米為例，玉米屬于高氮作物，在玉米生長(zhǎng)期間，需要保證氮肥的充足供應(yīng)以促進(jìn)其正常生長(zhǎng)和發(fā)育。例如選擇含有高氮比例的肥料來保證玉米生長(zhǎng)階段獲取足夠的營(yíng)養(yǎng)，而基于這些施肥要求，對(duì)于無人機(jī)的選擇，要考慮荷載能力、飛行時(shí)間、精確性等指標(biāo)，考慮到玉米田地的面積較大，需要選擇能夠攜帶足夠的肥料和農(nóng)藥量的無人機(jī)。通常建議選擇具有至少5 kg以上的有效載荷能力，同時(shí)，無人機(jī)的飛行時(shí)間應(yīng)在40～60分鐘以上。且在玉米生長(zhǎng)期，需要分次追加高氮比例的肥料，因此需要多次任務(wù)操作，所以必須選擇易于操作且安全性能較高的無人機(jī)，以此滿足玉米生長(zhǎng)期多次追肥的要求。

2.2   基于植保要求應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)

玉米、小麥等高氮作物對(duì)氮需求較大，但過量的氮肥施用可能導(dǎo)致土壤中的氮含量超過作物需要的水平，從而引發(fā)土壤污染。這可能導(dǎo)致氮淋溶和氮揮發(fā)，對(duì)水體和空氣質(zhì)量造成負(fù)面影響。通過沖刷或滲漏，過量的氮肥可能進(jìn)入河流、湖泊和水庫等水體，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。這會(huì)刺激藻類和其他水生植物的生長(zhǎng)，形成藻華，破壞水體生態(tài)平衡，引起水體缺氧問題。為了減輕高氮施肥對(duì)環(huán)境的潛在影響，需要使用無人機(jī)收集土壤樣本，整理和清洗土壤養(yǎng)分分析數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性[4]。選擇與氮肥需求相關(guān)的特征變量，如土壤氮含量、pH值、有機(jī)質(zhì)含量等，并使用回歸分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如多元線性回歸、支持向量機(jī)等）或其他數(shù)學(xué)建模方法，根據(jù)特征選擇的變量，建立預(yù)測(cè)作物氮肥需求的模型。使用已有的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和相應(yīng)的作物氮肥施用量，將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。通過對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行模型訓(xùn)練，然后對(duì)驗(yàn)證集進(jìn)行模型驗(yàn)證，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。使用已建立的模型，輸入新的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和環(huán)境信息，預(yù)測(cè)作物在不同區(qū)域和生長(zhǎng)階段所需的氮肥施用量，基于模型的輸出，生成精確的施肥計(jì)劃。該計(jì)劃將明確無人機(jī)在每個(gè)區(qū)域和階段需要施加的適量氮肥，以滿足作物的需求并減少養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)防止過度施肥，對(duì)作物種植區(qū)的附近環(huán)境帶來負(fù)面影響。

2.3   機(jī)型和硬件的合理選擇

根據(jù)施肥植保任務(wù)的需求，無人機(jī)盡量選擇多旋翼（如四旋翼或六旋翼）無人機(jī)或固定翼無人機(jī)。多旋翼無人機(jī)具有垂直起降和懸停能力，在小范圍內(nèi)靈活操作，而固定翼無人機(jī)則適用于大范圍、長(zhǎng)距離的植保作業(yè)[5]。

在噴灑系統(tǒng)選擇上，要盡可能選擇與無人機(jī)配套的噴灑系統(tǒng)，確保其能夠均勻、可調(diào)節(jié)地噴灑農(nóng)藥或肥料。這包括選擇適當(dāng)?shù)囊后w容器、泵浦、管道和噴灑噴頭等，液體容器的容量根據(jù)農(nóng)田面積和作物需要施用的農(nóng)藥或肥料量而確定，一般可以選擇100升到1000升等不同容量。泵浦的流量一般選擇10～50 L/min等不同流量范圍，壓力一般在2～4。管道直徑需根據(jù)所選泵浦的流量和作物需求來選擇，一般選用直徑為1/2英寸到3/4英寸的管道，材質(zhì)優(yōu)先選擇耐腐蝕材質(zhì)，如PVC管道。噴灑方式根據(jù)作物類型和施藥目標(biāo)，選擇合適的噴灑方式，如霧化噴頭、扇形噴頭等。

此外，還要選擇高性能的飛行控制系統(tǒng)，確保無人機(jī)能夠穩(wěn)定、精準(zhǔn)地執(zhí)行任務(wù)。這包括選擇合適的飛控主板、慣性測(cè)量單元（IMU）和GPS等。在需要避免障礙物的環(huán)境中操作時(shí)，要考慮配備避障系統(tǒng)，如激光雷達(dá)或超聲波傳感器。這有助于提高安全性和飛行穩(wěn)定性。無人機(jī)的電池系統(tǒng)需選擇高容量、高性能的電池，以支持長(zhǎng)時(shí)間的植保作業(yè)。考慮到電池壽命和充電時(shí)間，優(yōu)選可更換電池或快速充電技術(shù)，以減少中斷時(shí)間。