無人機在甘蔗除草中的應用分析

張莞玲

(西安航空職業技術學院，陜西西安710089)

0 引言

甘蔗除草可分為出苗前除草和出苗后除草2個部分，由于出苗前期蔽蔭度低，機械化除草相對簡單，通過拖拉機噴灑除草劑即可以達到良好的除草效果。而甘蔗生長周期較長，并且春夏季節的大部分時間地表基本處于暴露狀態，出苗后期蔽蔭度高且雜草生長十分迅速，難以通過拖拉機實施除草。無人機作為一種新型、高效的除草工具已經開始應用于甘蔗作物的除草工作中[1-4]。

無人機除草技術在甘蔗等高桿作物的除草作業中有著十分明顯的應用優勢，無人機設備小巧靈活，噴灑效率高，尤其是在雨季里搶農時能夠借助夜間無風、高濕度的有利條件開展作業[5-7]。甘蔗株高在拔節前后通常已經接近 1 m，大型的掛載牽引施藥設備很有可能引發斷苗的問題[8-9]。另外，由于不同地區甘蔗種植行距不一致，并且在地形上存在較大的差異。因此，傳統的拖拉機牽引設備或自走式施藥設備都會或多或少地遇到作業困難的問題。而通過無人機對甘蔗作物進行除草處理則不會受到地面環境或作物種植模式的影響，尤其是在無人機通信能力不斷提高的情況下，無人機已經可以實現精確定位、航線規劃以及增強霧化效果等功能。但在實地應用中，無人機除草仍然普遍面臨著放藥不精準、霧滴漂移等方面的問題，有必要進行更加深入的實驗研究。本次研究利用無人機裝載高濃度植物生長調節劑來抑制甘蔗出芽后雜草的生長，為了進一步發揮無人機除草的應用效果，還需要通過實驗的方式來確定相關的飛行參數。

1 材料與方法

1.1 實驗地基本情況

試驗地點設在廣西來賓市武宣縣思靈鄉河龍村，中等肥力，沙質土壤，天氣晴朗多云，溫度為32.8℃，相對濕度為95%。

參試品種為甘蔗品種為桂糖42號，正常農藝栽培，寬窄行種植。主要雜草包括單子葉和雙子葉雜草等，主要雜草有稗草[Echinochloa crusgalli(L.)Beauv]、馬唐[Digitaria sanguinalis(L.) Scop.]、牽牛花[Pharbitis nil(L.) Choisy]、勝紅薊(Ageratum conyzoidesL.)、酢漿草(Oxalis corniculataL.)、香附子(Cyperus rotundusL.)等。

1.2 參試材料

1.2.1 參試無人機設備

本次實驗所采用的無人機設備為廣州極飛科技有限公司生產的P20-2018款RTK版電動旋翼無人機，該機型采用復數槳對稱分布設計，可控性強且結構簡單，具有較強的經濟性與實用性，可大大增加甘蔗農田的除草效率。

1.2.2 其他的儀器設備

本次實驗所采用的霧滴測試設備包括：掃描儀、自封袋、記號筆、膠帶、夾子、標志牌、移液器、量杯、量筒、風速計等。

1.2.3 供試藥劑

試驗采用的除草藥劑選自廣西田園生化股份有限公司生產的復硝酚鈉，主要用來抑制甘蔗芽后雜草的生長。高濃度的植物生長調節劑對于雜草的生長有一定的抑制作用，本次研究通過無人機噴灑5%復硝酚鈉3500倍液用于甘蔗的苗后除草。

1.3 試驗設計

作業時間：2020年5月10日7:00 am，播種后14天；作業地點：廣西來賓市武宣縣思靈鄉河龍村，上質沙壤土，中等肥力；作業區面積：無人機單次作業面積總計0.53 hm2，重復作業4次，總作業面積共計2.13 hm2。

無人機航行狀態：無人機每次飛行藥箱按滿載8 L，飛行速度分別設定2.5、3.5、4.5 m/s，飛行高度分別設定1.5、2.5、3.5 m，以7 m為幅寬進行測試，霧滴粒徑設置為120 μm。

1.4 調查方法

1.4.1 株數防效計算方法

藥后15天統計株數，計算株數防效。每個小區隨機選取3個區域，每個區域選擇10株，一共30株，株數防效計算公式如下。

式⑴中：R為小區的雜草株數防效(%)；X0為噴藥前雜草株數(株)；X1為噴藥后雜草株數(株)。

1.4.2 鮮重仿效計算方法

于藥后 15天調查鮮重防效，選用絕對值調查法，每小區隨機取4個樣方，將雜草地上部分稱重，記錄鮮重；鮮重防效計算公式如下。

式⑵中：F為雜草鮮重防效(%)；T0為噴藥前的雜草鮮重(g)；T1為噴藥后的雜草鮮重(g)。

2 結果與分析

根據圖 1可知，在無人機飛行速度為 2.5 m/s的情況下，隨著飛行高度的增加，霧滴分布曲線呈扁平化發展。在飛行高度達到1.5 m的情況下，最高霧滴數達到 162個/cm3，并且嚴重集中在中間區域，噴幅邊緣霧滴數量下降至11個/cm3，較為理想的飛行高度為2.5和3.5 m，累計噴幅霧滴數量在2.5 m的飛行高度下達到最大。在飛行高度為3.5 m的情況下，從邊緣區域到噴幅中間霧滴數量為33～123個/cm3時分布最為理想。

圖1 當速度為2.5 m/s時無人機在不同高度飛行時的霧滴數量

根據圖2可知，無人機在作業過程中一定程度上會受到風力的影響，致使霧滴沉積數量偏向一側，但并未明顯改變整體趨勢。相比于無人機飛行速度為2.5 m/s的實驗狀況來說，飛行速度為3.5 m/s的無人機在高度為1.5 m的情況下無明顯差異，同樣存在中間過度集中的問題，并且兩側邊緣霧滴數量迅速減少，比較理想的無人機飛行高度為2.5和3.5 m；在無人機飛行高度為2.5 m的情況下，霧滴數量在19～133個/cm3之間。在無人機飛行高度為3.5 m的情況下，霧滴數量在 19～110個/cm3之間，都比較適合作業。

根據圖3可以可知，在無人機飛行高度為1.5 m且飛行速度達到4.5 m/s的情況下，噴幅邊緣的霧滴數量并沒有出現明顯增加，仍然存在中間集中問題，并且相比于其他條件下，兩側霧滴數量減少的情況更加明顯。而在無人機飛行高度為3.5 m的情況下，霧滴漂移情況則出現了明顯的減少，無人機傾斜向前，噴幅兩側明顯減少，噴霧形成的帶狀后移。因此，在無人機飛行高度為2.5 m的情況下比較適合作業，霧滴數量在7～115個/cm3之間。

圖2 當速度為3.5 m/s時無人機在不同高度飛行時的霧滴數量

圖3 當速度為4.5 m/s時無人機在不同高度飛行時的霧滴數量

3 無人機飛行參數設置方案

實驗結果表明：⑴在將無人機飛行速度維持在2.5～4.5 m/s的情況下，飛行幅寬2.8 m以內的霧滴數量和分布效果與飛行速度之間存在一定的關系，但都能達到或接近 80個/cm3霧滴的理想狀況。然而，在幅寬大于2.8 m的情況下，無人機的飛行速度將會顯著影響邊緣位置的霧滴數量，比如當無人機飛行速度為4.5 m/s的情況下，幅寬邊緣霧滴數量明顯下降，且該位置雜草的種子如蟲卵般大小，而霧滴密度的提升對于類似小型靶標的防治效果呈現極大的正相關。

⑵霧滴大量集中在中間部位的原因主要在于無人機飛行高度過低。并且在無人機飛行高度過低的情況下，霧滴很容易在未分散的情況下接觸甘蔗作物，進而造成甘蔗表面藥物沉積量過大的問題，不僅影響作物品質，同時也會造成一定程度上的農藥浪費。

⑶適當增加無人機的飛行高度能夠增加無人機的作業幅寬，然而該操作還需要考慮到霧滴所受到的風力影響，可能會出現一定程度的漂移或偏向。不過根據以往無人機除草經驗，在清晨進行作業能夠將風力的影響控制在較低限度。

根據實驗研究結果，應用于甘蔗除草作業的無人機最佳飛行速度為3.5 m/s，飛行高度為2.5 m，幅寬設置4 m。

4 甘蔗雜草的防效測定

根據上述實驗結果設定無人機飛行參數為飛行速度為3.5 m/s，飛行高度為2.5 m，幅寬設置為4 m，噴灑5%復硝酚鈉3500倍液用于甘蔗的苗后除草。分別調查了甘蔗出苗后除草15天后的雜草防效，具體結果如表1所示。

經調查研究發現，施藥區各類雜草及總草的株數與鮮重均大幅低于噴藥前狀態。其中，單子葉雜草株數防效可達89.35%，雙子葉雜草株數防效可達99.18%，總雜草株數防效可達96.11%；單子葉雜草鮮重防效可達 85.23%，雙子葉雜草鮮重防效可達97.12%，總雜草鮮重防效可達96.33%。總體而言，無人機噴施藥效較為理想。

表1 甘蔗雜草防效調查結果

5 結論

通過甘蔗田間實驗的方式來確定無人機除草的主要參數。經實驗研究發現，應用于甘蔗除草作業的無人機最佳飛行速度為3.5 m/s，飛行高度為 2.5 m，幅寬設置4 m。該飛行參數可在噴灑寬幅充分的情況下有效提升霧滴密度，減少農藥浪費。且無人機甘蔗除草技術的應用可使苗后總雜草的株數防效達到96.11%，鮮重防效水平提升至96.33%，除草效果較為理想。