面向赤霉病防治的植保无人机飞防作业调度

作     者：徐雪燕 

作者单位：南京农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪浩祥

授予年度：2021年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 09[农学] 0904[农学-植物保护] 090401[农学-植物病理学] 090402[农学-农业昆虫与害虫防治] 

主      题：无人机作业调度 短期预测 小麦赤霉病 NSGA-Ⅱ算法 

摘      要：小麦是我国重要的粮食作物之一,而小麦赤霉病又是影响小麦产量的常见病害,小麦赤霉病的爆发不仅会影响小麦的产量,而且被病原菌侵染的麦粒会产生多种霉菌毒素,这些毒素会污染面粉,产生致癌物质,给人畜食用安全带来很大的安全隐患。因此,小麦赤霉病已经成为世界各国高度关注的一种病害。随着科技的发展,无人机技术已被广泛应用于农药喷洒、精准播种等不同类型的航空作业中。随着植保无人机技术的不断成熟,使用无人机进行精准喷洒已经成为农业植保过程中的一项重要业务。由于我国各地农业作业环境复杂,农机主管部门管理能力较弱,导致无人机无法实现科学、有效的调度,大大降低了无人机植保工作效率。同时针对小麦赤霉病的强时效性、植保无人机以及机手的紧缺性等特点,建立科学合理的调度方案对于有效改善农户应错过小麦赤霉病最佳防治时间导致的小麦减产或绝收情况以及有效降低植保飞防队的成本具有重要的意义。本文针对使用植保无人机对小麦赤霉病进行防治所面临的问题提出多机作业调度的解决方案。针对小麦赤霉病的发病以及防治特点,将小麦赤霉病的防治过程分为两个阶段,第一阶段,根据2000-2020年江苏省小麦赤霉病的发生面积对2021年江苏省赤霉病发生面积进行预测,其次根据温度、湿度以及降雨等气候因素对小麦赤霉病的发生程度进行更精准的短期预测,确定最佳防治期。第二阶段,设计带混合时间窗的作业调度模型并设计相应的改进算法对模型进行求解。本文的主要研究成果如下:首先,使用时间序列分析方法预测出2021年江苏省小麦赤霉病的发生面积并对赤霉病发病特点及其影响因素进行研究,然后通过建立二项次多项式逐步回归模型对2021年4月中下旬南京市六合区小麦赤霉病的发病程度进行短期预测,确定最佳防治期。其次,通过对赤霉病防治特点以及植保无人机调度问题的研究,根据农田可作业时间窗、田间小麦的病菌感染情况等信息,建立带混合时间窗的多无人机作业调度模型。使用改进的遗传算法,根据农户提交的农田作业时间窗、位置、面积等信息,安排最佳的作业路线,对无人机进行合理分配,及时、高效地完成植保作业,解决无人机植保作业成本高、效率低、植保无人机数量以及机手紧缺等问题。最后,根据预测结果以及调度模型,对具体案例进行分析,同时考虑了一些调度过程中的实际约束,然后利用Matlab进行求解,得到一个无人机群的具体调度方案,该方案不仅可以有效改善农户因错过小麦赤霉病的最佳防治时间导致的小麦减产或绝收情况,还可以有效降低植保飞防队的成本,提高植保效率。