趙 晉，黃 赟，翁曉星，劉 丹，戴津婧

（金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江金華 321000）

0 引言

據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2020》統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已有近3 000萬(wàn)hm2的水稻播種，播種面積、產(chǎn)量占糧食作物比重大。在水稻生產(chǎn)過(guò)程中，除草作業(yè)是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)，雜草會(huì)與水稻爭(zhēng)奪生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)、空間、光照、水分等資源，還會(huì)使水稻分蘗數(shù)加重、分蘗數(shù)減少、病蟲(chóng)害危害程度加重，對(duì)水稻產(chǎn)量和質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物保護(hù)總站近年的一項(xiàng)調(diào)查顯示，稻田中有約130種的雜草會(huì)對(duì)水稻生長(zhǎng)造成危害，致使產(chǎn)量損失約15%[1]。由此可見(jiàn)，雜草防除對(duì)保障水稻豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的意義重大。

因噴灑化學(xué)除草劑具有經(jīng)濟(jì)成本低、操作簡(jiǎn)便、省工高效的特點(diǎn)，稻田除草通常是采用這種方式。但化學(xué)除草劑的配比不當(dāng)極易產(chǎn)生藥劑殘留，長(zhǎng)期頻繁使用還會(huì)增強(qiáng)雜草抗藥性，破壞土壤肥力，以致稻米品質(zhì)下降和農(nóng)田環(huán)境受到污染。如今，隨著高質(zhì)量生產(chǎn)生活理念的不斷增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)綠色防控技術(shù)和裝備的研究也在逐步加大，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)正向著品質(zhì)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展。

機(jī)械除草技術(shù)是一項(xiàng)備受關(guān)注的物理除草技術(shù)。通過(guò)除草裝備的使用，完成對(duì)稻田雜草的拔除、切斷或埋壓，有效除去雜草的同時(shí)，還能疏松土壤，改善秧苗根部透氣性，從而利于作物的生長(zhǎng)，作業(yè)過(guò)程無(wú)化學(xué)污染、生態(tài)環(huán)保，符合國(guó)家提出的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求。本文闡述水田除草裝備的研究現(xiàn)狀，剖析除草機(jī)械結(jié)構(gòu)和技術(shù)方法，展望其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 步進(jìn)式除草機(jī)

步進(jìn)式除草機(jī)大多以汽油機(jī)為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)除草部件完成行間和株間雜草清除，整機(jī)結(jié)構(gòu)較為輕簡(jiǎn)，易于生產(chǎn)與運(yùn)輸，作業(yè)行數(shù)2～3行。和同產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的MSJ-4型除草機(jī)、美善株式會(huì)社的SMW型除草機(jī)，是日本早期研制的具有代表性的產(chǎn)品，行間除草部件為被動(dòng)式[1]。齊龍[4]等研制的步進(jìn)式水田中耕除草機(jī)，利用輥、刀輥組成的除草部件在步進(jìn)式插秧機(jī)底盤的帶動(dòng)下作主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，設(shè)置仿形和耕深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，除草深度隨農(nóng)藝要求可調(diào)節(jié)，平均除草率達(dá)83.7%。王金峰[5]等研制的3SCJ-2型水田雙行除草機(jī)，結(jié)構(gòu)輕簡(jiǎn)，除草輪采用主動(dòng)式、被動(dòng)式結(jié)合，主動(dòng)除草輪兼具行間除草和帶動(dòng)除草機(jī)行走功能，被動(dòng)除草輪則能進(jìn)一步提高行間雜草除凈率，除草率達(dá)78%。步進(jìn)式除草機(jī)的工作效率較低，需人工手持操作，作業(yè)強(qiáng)度較大，不適宜在面積大的地塊使用。

1.2 乘坐式除草機(jī)

乘坐式除草機(jī)一般采用三輪或四輪乘坐式插秧機(jī)底盤為動(dòng)力，一次可完成5～9行除草作業(yè)，采用的行間/株間除草部件類型與步進(jìn)式除草機(jī)相同。吳崇友[6]等設(shè)計(jì)的2BYS-6型水田中耕除草機(jī)，行間除草部件沿前進(jìn)方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，株間除草部件于秧苗兩側(cè)作小幅擺動(dòng)，桿齒對(duì)土壤擾動(dòng)少，并不會(huì)損傷秧苗，平均除凈率78.1%。齊龍[7]等研制的3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)，工作幅寬大，能夠同時(shí)完成19行秧苗的除草作業(yè)，可有效減少由于機(jī)具田間轉(zhuǎn)向時(shí)所產(chǎn)生秧苗碾壓損失，該機(jī)還搭載機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)除草輪的自動(dòng)對(duì)行功能，平均除草率達(dá)82%。

現(xiàn)有的乘坐式除草機(jī)一般機(jī)型較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與步進(jìn)式除草機(jī)相比，作業(yè)效率大大提升。但因其除草部件與水田牽引車剛性連接，在彎曲的苗帶間行駛時(shí)，無(wú)法及時(shí)調(diào)整除草部件的作業(yè)位置，極易造成機(jī)具傷苗，機(jī)手操作會(huì)有較大的困難。此外，機(jī)具前進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，除草部件受到的阻力較大，也會(huì)對(duì)作業(yè)效率造成一定影響。

1.3 除草機(jī)器人

結(jié)合傳感信息等現(xiàn)代技術(shù)的集成應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了一批水田除草機(jī)器人，使得除草作業(yè)更為簡(jiǎn)便省力。日本秋田縣立大學(xué)[3]利用氣墊船原理開(kāi)發(fā)的除草機(jī)器人，整機(jī)漂浮于水面，其除草部件為柔性輥刷，行間、株間除草同時(shí)完成，傷苗率低，作業(yè)路徑不受方向限制，無(wú)需到田邊調(diào)頭轉(zhuǎn)向，采用GPS自動(dòng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除草作業(yè)，也可通過(guò)遙控作業(yè)。

李鑫[8]等研發(fā)的遙控式雙行水田行間除草機(jī)，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，利用除草耙齒拉拔、切除或壓埋雜草，阻礙雜草光合作用，進(jìn)而完成除草工作。除草輪的間距、高度及轉(zhuǎn)速均可調(diào)節(jié)，通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)顯示田間路況信息，方便機(jī)手操控，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)彎半徑小，很大程度上減少了由于田間調(diào)頭時(shí)引起的秧苗損傷。王凱[9]等設(shè)計(jì)的踩踏式除草機(jī)器人，采用輕量化設(shè)計(jì)原則，通過(guò)優(yōu)化箱體、驅(qū)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)，并增設(shè)履帶前傾角調(diào)整模塊，以此改善機(jī)器人在水田不平整處作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的沉陷、打滑和側(cè)翻等現(xiàn)象，轉(zhuǎn)彎和越障性能較好。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 行/株間除草部件結(jié)構(gòu)

水田除草部件按作業(yè)位置可分為行間除草部件和株間除草部件。按傳動(dòng)形式又可分為兩類，一種是依靠機(jī)具前行帶動(dòng)除草部件作被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，另一種則是采用液壓、電動(dòng)或氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)除草部件作主動(dòng)旋轉(zhuǎn)。由于水稻行間無(wú)秧苗序列干擾，作業(yè)路徑清晰，因此，通過(guò)機(jī)械方式完成除草的效果較好，該技術(shù)在水稻行間的應(yīng)用也較為成熟。行間除草部件采用的結(jié)構(gòu)形式主要有齒形除草耙、麻花齒輥、除草圓輥、除草鏟、耕耘鋤等[2-3]。

由于水稻株間間距小，僅為10～17 cm，機(jī)械設(shè)備難以通過(guò)。因此，株間除草主要是利用移栽秧苗與雜草的根系生長(zhǎng)的深淺差異，通過(guò)除草部位的工作深度控制，達(dá)到不損傷秧苗且除草的目的。目前，與行間除草相比，株間除草效果較差。株間除草部件采用的結(jié)構(gòu)形式主要有除草鋼絲、傘狀除草盤、彈齒盤等，動(dòng)作方式主要為對(duì)轉(zhuǎn)式、擺動(dòng)式和固定式[2-3]。針對(duì)水田株間除草，實(shí)際應(yīng)用還不成熟，相關(guān)研究多集中在理論階段。陶桂香[10]等設(shè)計(jì)的水田株間除草機(jī)械，將兩組彈齒盤對(duì)稱安裝于兩側(cè)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與機(jī)具前進(jìn)方向垂直，利用鋼絲軟軸帶動(dòng)兩個(gè)彈齒盤作相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而完成除草，采用球鉸聯(lián)軸器，可應(yīng)用于多種行距和株距的除草。陳學(xué)深[11]等設(shè)計(jì)的株間除草機(jī)無(wú)需避苗作業(yè)，采用雙排柔性刷指，前排縱向梳刷拉拔雜草，后排橫向振動(dòng)撥耙雜草，建立了稻株倒伏狀態(tài)辨識(shí)模型，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別稻株倒伏狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制振動(dòng)作業(yè)的啟停，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)作業(yè)的自適應(yīng)控制。除了上述機(jī)械結(jié)構(gòu)的除草部件，日本的農(nóng)機(jī)公司還研制了采用噴射高壓氣體或液體的除草部件，利用瞬時(shí)強(qiáng)流體作用將雜草沖離泥土。移栽的水稻秧苗根系較發(fā)達(dá)，因此秧苗受到強(qiáng)流體沖擊的損傷很小[12]。

2.2 智能識(shí)別技術(shù)

受到地塊平整度影響，水田各區(qū)域泥腳深度不一致。在實(shí)際插秧作業(yè)過(guò)程中，插秧機(jī)行進(jìn)路線并非筆直，因此移栽的秧苗行存在彎曲的情況。當(dāng)利用乘坐式除草機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要機(jī)手沿著移栽軌跡及時(shí)調(diào)整除草部件的作業(yè)位置，而插秧行距較小，且除草部件多懸掛于除草機(jī)后部，與機(jī)頭存在一定距離，存在方向調(diào)整滯后而造成的秧苗壓傷。因此，依靠機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別秧苗圖像，從中提取出秧苗行信息，以此信息實(shí)現(xiàn)除草部件與秧苗苗帶的行間自動(dòng)對(duì)齊，保持除草前進(jìn)軌跡與秧苗種植軌跡一致，減少由于地形和人為駕駛等原因?qū)е碌某葑鳂I(yè)傷苗情況。

崔宏偉[13]等研發(fā)的自動(dòng)避苗系統(tǒng)，應(yīng)用圖像采集與處理技術(shù)，將水稻秧苗苗帶圖像實(shí)時(shí)采集。通過(guò)Hough變換分區(qū)邊緣擬合的方法提取出苗帶線，可編程邏輯控制器依據(jù)苗帶線偏轉(zhuǎn)角度和除草機(jī)前進(jìn)速度，控制行間除草部件實(shí)現(xiàn)橫向和角度調(diào)整，使行間除草部件自動(dòng)跟隨苗帶軌跡，并與其保持相對(duì)恒定距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避苗。蔣郁[14]等研制的株間機(jī)械除草裝置，依靠機(jī)器視覺(jué)識(shí)別定位技術(shù)，采用氣動(dòng)式控制裝置，當(dāng)圖像檢測(cè)到除草刀齒進(jìn)入秧苗保護(hù)區(qū)后，利用電磁閥控制刀具換向，以此完成避苗動(dòng)作。通過(guò)秧苗后，再次利用電磁閥換向，刀具恢復(fù)除草狀態(tài)進(jìn)行作業(yè)。

機(jī)器視覺(jué)和激光雷達(dá)技術(shù)是常用的作物行識(shí)別技術(shù)，但由于傳感器自身的局限性，僅靠運(yùn)用單一種類的傳感器容易造成信息獲取不全面。賀靜[15]等采用多傳感器融合的方式，利用機(jī)器視覺(jué)和激光雷達(dá)識(shí)別水稻行，并在統(tǒng)一空間坐標(biāo)信息的基礎(chǔ)上，擬合出中心線作為導(dǎo)航基準(zhǔn)線，實(shí)現(xiàn)水稻行跟蹤導(dǎo)航。

3 展望

1）株間除草技術(shù)。水稻移栽1周后便進(jìn)入分蘗期，且其株距窄，相鄰秧苗葉片容易互相覆蓋，僅依靠圖像采集處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)秧苗和雜草的株間識(shí)別和定位，或兩者根系生長(zhǎng)差別除草，準(zhǔn)確度較差，是影響除草機(jī)整機(jī)效率提升的關(guān)鍵之一。應(yīng)深入探討水稻種植農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)融合技術(shù)，探索適合機(jī)械作業(yè)的種植方式，研究秧苗和雜草區(qū)分技術(shù)，提高株間除草率。

2）導(dǎo)航定位技術(shù)。集成應(yīng)用傳感器、衛(wèi)星等技術(shù)手段，提高導(dǎo)航線提取精度。插秧機(jī)進(jìn)行插秧作業(yè)時(shí)，同步采集存儲(chǔ)機(jī)具運(yùn)動(dòng)軌跡，利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將軌跡路線共享給除草機(jī)，利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)除草部件作業(yè)位置進(jìn)行小幅修正，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)人化除草作業(yè)，進(jìn)一步降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕傷苗情況。

3）功能集成應(yīng)用。為最大限度減少由于機(jī)具在田間換行轉(zhuǎn)向作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的秧苗碾壓，在除草機(jī)上疊加施肥、噴藥等功能模塊。一次作業(yè)可完成多項(xiàng)農(nóng)藝流程，減少了機(jī)具進(jìn)田作業(yè)的次數(shù)，進(jìn)一步提升了作業(yè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

作物行線提取技術(shù)多應(yīng)用于旱田作物的除草作業(yè)，因葉菜類作物與土壤顏色差別大，植株輪廓易于識(shí)別，便于提取導(dǎo)航線。而水田環(huán)境背景復(fù)雜，稗草、千金子等水田雜草與秧苗形態(tài)相近，且水層反光等因素，存在邊界識(shí)別不準(zhǔn)確、精度低的問(wèn)題，導(dǎo)航線提取難度較大，除草率還有待提升。隨著人們對(duì)稻米品質(zhì)要求的不斷提高，以及環(huán)保意識(shí)的不斷強(qiáng)化，今后水田機(jī)械除草機(jī)械的應(yīng)用將會(huì)更為迫切。通過(guò)對(duì)除草機(jī)理研究的深化，自動(dòng)控制、圖像處理等技術(shù)的更新發(fā)展，水田除草裝備的性能將進(jìn)一步提高。