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智能化技术在水稻生产全程机械化中的应用研究与发展趋势


发布时间:

2023-12-08

水稻作为重要的谷物类粮食,深受中国百姓喜爱。传统的水稻种植依托人力完成翻耕、整地、种植一直到收割一系列过程,随着现代农业技术的发展,水稻的生产方式发生改变,机械化的应用水平越来越高,不仅提升了应用效率,也为水稻的发展提供了更广阔的空间。但是由于水稻工序繁多,目前中国耕、种、收阶段的综合机械化利用率为83.70%,还未能将机械化覆盖水稻种植全环节。并且各个环节的机械化作业率不统一,智能化技术在水稻机械化种植中的应用发展相对缓慢,为此探讨智能化技术在水稻生产全程机械化中的应用具有必要性。

  1  耕地整地阶段

 

1.1   深耕智能调节技术

水稻机械化种植中出现的深耕不均匀问题,关键在于拖拉机悬挂系统,在此基础上应结合电液一体化技术,重视对深耕自动调节技术的研究。例如:将传感器应用其中,结合拖拉机提升臂距离、地面机械工具,达到对拖拉机高度、俯仰角的控制,实现三点悬挂结构,能够精确的调整深耕的精度。水稻田种植过程中耕地深度的条件依赖拖拉机悬挂作业的形式,但由于水田作业环境较为复杂,在拖拉机工作中需要同步考虑水田地形不同的变化、拖拉机工作中滑移率以及传感器应用性质、机械运动中震动等多种因素的影响。

1.2   自动平地技术

水稻作业当中的自动平地就是对需要种植水稻的地块进行平整作业。在这一过程中应用智能化技术主要解决平整作业的精度过低的问题。目前国外有公司采用FieldLevel-Ⅱ系统对农田的地势进行分析,结合系统的差异自动调节液压系统,达到控制农业机械升降、保持水稻用地平整的效果[1]。现阶段在水稻生产中,国内已经开始使用激光控制水田大浆平地机,确保水田耕作平整。尽管中国农业机械的自动化技术、智能化技术应用较晚,但在深耕智能检测和自动化方面有着丰富的研究,只是尚未形成规模化。未来在研究中将其与智能化机械、无人机等联系起来有利于快速采集地形地势,制定智能化的耕地平整策略,能够保证在水田种植前、打浆、压实、开沟、施肥各项作业有序进行,这样不仅提升了水稻作业的效率和质量,也提升了整个水稻种植的智能化水平。

2  水稻种植

 

2.1  水稻育秧移植

育秧是水稻种植的一个关键环节,这对水稻增产、农民增收有重要的影响。目前农业机械化在水稻育秧过程中主要是生产线型,例如:精选机、催芽机对种子进行提前处理,终止前将土壤、肥料都进行搅拌,做好苗床准备;采用播种覆土联合的机器进行播种并喷上农药化肥,做好育苗管理。目前应用在育苗过程的智能化技术主要是秧盘精密播种性能检测技术,这一技术的应用目的是提高水稻播种的情况,采用光电传感器、机器视觉,确保秧盘播种有效性,保障秧苗良好生长环境。

2.2   水稻钵苗移栽技术

采用水稻钵苗移栽技术形式可以做到不伤根,不需要缓苗期,在日本已经广泛应用,并研发出PZP-80型水稻全自动钵苗移栽机器,主要工作方式是将一排钵苗放到传送带上,机器会将钵苗直接植入田间[2]。这样的机器设备采用的是辅助自动驾驶系统,同时能够完成施肥、除草,实现插秧时候同时辅助多类型的作业。水稻种植的育苗阶段应用的智能化技术,多是集中在取种、播种等方面,多个应用之间没有紧密的联系,也缺少即时的执行机构,并没在大面积水稻全自动种植中得到有效的应用。所以完善水稻栽培设备、确定农业机械运动轨迹,实现准确、自动、高效的移栽作业形式,这也是未来全自动农业机械重要的应用方向。

2.3   水稻直播

水稻田直播作业形式包括机械化水直播和机械化旱直播两种。目前南方地区在水稻种植的时候会采用水直播,如2BD型水稻精量穴直播机器、折叠式宽幅水道精量穴直播机器。而在黑龙江、宁夏、山东等地区都是采用的旱地直播形式,采用BDH型水稻精量旱穴直播[3]。在水稻机械化种植中采用直播形式最为关键的控制播种量,因为播种过多造成种植成本的浪费,播种过少导致成活率过少,影响增产。所以,水稻直播机械设备对排种器这一环节的设置最为关键,目前常用的是机械式和力气式两种排种机器形式,分别采用地轮驱动、风机气流驱动实现准确排种。

 
 
 
3  水稻田间管理

 

3.1   节水灌溉

水稻种植过程中的节水灌溉一般会采用喷灌或滴灌两种形式。借助PLC设计水稻智能排水灌溉系统,首先设定好水稻田水位参数;进而实施灌溉作业,灌溉的时候结合遥感、地理信息系统,实现智能化、网络化的水稻田灌溉管理。既能够节省水资源,又提升了灌溉的效率。

3.2   变量施肥

由于水稻田的地质特点,土壤的含水量过高,流动性较强,所以对水稻种植的施肥都会采用肥料深耕的形式,把控水稻生长肥力均匀。同时依靠变量施肥技术对肥力进行准确控制,也能控制水田的种植成本。现在对变量施肥技术多是以固态肥为基础进行研究的,例如2BD-30同步侧位深施肥水稻精量穴直播机。液体肥便于吸收,可以实现水肥一体化管理,保证水稻种植业集约化、规模化、现代化发展。所以水稻插秧过程中水肥一体化,同步施肥技术设备研发更加重要,有利于提高肥料的利用率,促进水稻的生长。

3.3    除草技术

现阶段,传感器和人工智能在水稻田杂草管理中广泛应用,视觉识别技术也备受重视。如设计出除草机器人等应用设备,有效提高了水稻田种植中除草的精度,减少对苗木的伤害。智能化技术、仿生化技术的联合应用技术研发较为深入,智能除草机械可通过对杂草感知、杂草识别等关键信息管理,有效控制除草机器,实现精确去除杂草。但是因为水稻田的环境复杂,机械视觉除草技术应用要进一步与机械除草、化学除草、生物除草等技术结合起来,改善除草效率,这也是水稻田杂草管理的关键。

3.4   病虫害管理

农药喷洒技术是病害虫害管理的关键,集中在水田变量喷雾、高地隙宽幅喷雾两个方向。这一技术的应用能够结合农田的复杂环境、水稻种植的特点,实施专业化的农药喷射工作。同时现在无人机遥感影像技术对病虫害管理有重要的影响,无人机、遥感成像应用到水田管理的时候,遥控飞机可以看到高清图像,进而将获得信息直接转化为喷洒信息,有效清理害虫,提高水稻产量。在精确分析水田病虫害分布的基础上,技术上传、共享也能对区域病虫害实时监督控制,及早发现及早防治。

4  智能化技术在水稻生产全程机械化中的应用趋势

 

4.1   传感器信息整合

多传感器信息融合发展,能够进一步探测传感器检测设备在水稻生产设备的应用潜力。通过整合传感技术、数据处理技术、网络通信、人工智能技术等,再结合土壤、水分、水稻长势等多种信息源的不同特点获得相关信息。由此构建一个多方位的水稻生产机械化信息数据库,覆盖水稻种植的耕地、整地、种植、田间管理等多个方面,实现实时监控水稻种植信息。此外将模糊控制、神经网络、支持向量机器有效结合起来,提升多传感器信息融合的性能,进一步提高了水稻机械化生产的智能感知能力。

4.2   智能装备

智能装备的研发设计能够有效提升监测水平、控制精度,智能装备也是农机设备优化设计的重点环节。若是能够结合传感信息在线控制水稻深耕、播种等环节,可达到农业装备参数实时获取及一体化管理。智能技术与农业水稻机械化的融合创新,确保了水稻种植高效、精准、节能,提升了水稻耕地、播种、除草等环节的智能化水平。

4.3   优化智能算法

结合神经网络开发、变量播种、自动控制系统,重点对播种插秧、深度施肥进行集约化作业。研发多品种水稻相结合的监测系统,实现排水施肥等过程智能控制算法的优化,达到了降本增效、强化资源利用的目的,更好适应规模化、集约化的水稻生产全程机械化趋势。

5  结语

 

水稻种植机械化的应用对提升种植效率、降低人工劳动成本具有积极的影响。将智能化技术融入水稻生产全程当中,无论是耕地、育苗、播种还是田间管理的各个环节均能够实现机械化操作和智能化控制,充分体现出智能化技术的实时动态特点与智能控制优势,这对提升水稻的产量、减少维护成本具有不可忽视的意义。未来智能化技术在水稻机械生产全过程的应用,需要进一步挖掘传感器信息、优化智能算法的推广应用,这也是未来水稻生产机械化、智能化发展的主要方向。