植保無人機在重慶園林植物養護中的應用前景探討

王 龍 ，周涵宇，田立超

(1. 重慶市璧山區園林綠化管理所，重慶 402700；2. 重慶市風景園林科學研究院，重慶 401329；3. 重慶市城市園林綠化工程技術研究中心，重慶 401329)

1 引言

植保無人機為用于農業、林業、園林等場景植保作業的無人駕駛飛行器，由飛行平臺、導航飛控、噴灑等部分組成，通過地面遙控或導航飛控，用于實現農藥、肥料的噴灑作業，具有快速高效等特點，適合大面積種植作物及特殊環境作業。為促進植保無人機發展，多地多部門出臺了政策支持，2017年9月，我國工信部印發了《關于促進和規范民用無人機制造業發展的指導意見》；次年3月，農業部和財政部聯合發文《關于做好2018-2020年農機新產品購置補貼試點工作的通知》等，明確提出鼓勵植保無人機的行業研究及應用發展創新，加速無人機在植保領域的發展。

近年來，全國部分省市園林綠化養護部門也引入了植保無人機技術，有報道的如南京、廈門、黑龍江、湖北、山東、河南等地，開展了植保無人機在園林病蟲防控工作中的應用示范，為植保無人機在園林管護中應用提供了借鑒經驗。本文對國內外植保無人機發展進行簡述，總結該技術的優點及今后的發展趨勢，并結合重慶山城園林特色，探討了植保無人機技術在重慶園林管養中的應用可行性。

2 植保無人機發展歷史

20世紀70年代，日本首次將小型無人機用于農業生產，當時日本經濟開始快速發展，青壯年農工大批涌入城市尋求工作，農村僅有少量老弱婦孺，適齡勞動力大量缺乏，于是在借鑒美國軍用無人靶機技術的基礎上，日本YAMAHA公司在1990年推出“R-50”植保無人機，是第一款投入農業噴灑實踐的無人直升機[1]。經過20年的發展，日本市場的植保無人機裝機總容量(獲得國家頒發的農業應用證書)達到近2800架，且獲得國家植保無人機操作證書的人數約為1萬人，成為世界上植保無人機噴藥第一大國[2]。與日本相比，美國植保無人機的應用也非常廣泛，截至2017年，美國已擁有近30個品種9000多架植保無人機，全世界占比28%，另外，美國65%的農業化學作業均使用飛機完成，60%的農藥作業也由專業的植保團隊操作無人機及其他智能機械完成[3]。

綜觀以上農用無人機在日本、美國的發展，對于我國農用無人機行業有諸多可學習和借鑒之處。世界各國對植保無人機應用程度有所不同，但總的來說，農業航空技術是國家農業生產的重要組成部分，在現代農業高速發展形勢下，無人機在農業生產中的應用比重將逐漸加大。

我國關于植保無人機的研發歷程開始于“十一五”期間國家項目“新型施藥技術與農用藥械(‘863計劃’)”的成功立項。在2005～2006年期間，中國農業機械化研究院、中國農業大學、南京農業機械化研究所等大學及科研機構向科技部、農業部、教育部等相關部門進行提議，建議推動植保無人機的研制工作[4]。

2008年，國家正式批復“水田超低空低量施藥技術研究與裝備創制(‘863’計劃項目)”立項，標志著植保無人機航空施藥技術在我國正式開始研究。“十三五”規劃實施以來，我國政府部門對植保無人機的研發投入可謂巨大，在科技部會同農業部實施的“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發”國家重點研發計劃、國家重點研發計劃“智能農機裝備”重點專項、國家自然科學基金委員會與德國科學基金會中德合作研究項目“植保無人機的農藥霧化沉積高效利用”中都對植保無人機的性能研究和施藥技術方面給予了重點支持。

根據農業部及有關部門統計，2017年底共253種植保無人機在用，有近300余家工廠生產植保無人機，我國植保無人機裝機量也逼近14000余架，在多種農作物、經濟作物上均實現了病蟲害防治作業，統計結果顯示，使用植保無人機進行作業的實際效果已經能夠達到實用水平，并且正處于高速發展階段[5]。

3 植保無人機在農業、林業和園林上的應用現狀

3.1 植保無人機在農業應用現狀

植保無人機在農業中有多種應用場景，可實現對農作物病蟲害的實時監測、危害程度分級和航空施藥防治病蟲害等[6]。本文選取了我國大面積種植的幾種主要農作物——玉米、水稻、小麥、棉花探討其作應用現狀。

玉米是畜牧業、養殖業、水產養殖業等的重要飼料來源，也是食品、醫療衛生、輕工業、化工業等的不可或缺的原料之一。李宗南等[7]通過優化無人機遙感技術，達到在田間利用無人機監測準確計算玉米倒伏面積。此外，吳才聰等[8]利用無人機的航空拍攝技術，預測玉米螟的空間分布半變異擬合函數和預測模型，為田間精準施藥技術提供理論技術支撐。2012年，高圓圓等[9]利用“AF-811”植保無人機測定了不同飛行參數對霧滴的沉積分布規律影響以及對玉米螟的防效。結果顯示，與傳統的自走式高桿噴霧機相較，飛防作業具有節省時間、減少傳統人力消耗、節省水資源的優點，但防治效果有待進一步優化。

水稻作為中國耕地種植面積有306萬hm2的重要農作物，基于水稻特殊的水田生長環境，傳統地面施藥機器很難下田操作，且水稻田面積大、范圍廣，導致田間施藥作業效率低，對打藥農民和水系生態環境也易造成侵害。陳盛德等[10]使用“HY-B-10L”型植保無人機探究了無人機施藥霧滴對水稻冠層沉積分布規律的影響，結果證明作業參數對航空噴施霧滴沉積分布結果有重要影響，對藥液的合理噴施及提升施藥效率具有積極影響。薛新宇等[11]通過調整“N-3”型無人機施藥參數進行對比試驗，探尋其對水稻飛虱和稻縱卷葉螟這兩種重大水稻害蟲的防治效果和應用前景，實驗結果顯示與傳統的擔架式噴霧機相比，在3 m高度下進行無人機飛防作業防治效果更優。且植保無人機體積小，更加靈活，對丘陵地帶的地形更為適應，不受地形影響也能發揮最高效力。

另外，在小麥和棉花上利用無人機進行病蟲害的監測與防治也有很多實例。如利用無人機航拍監測小麥的生長狀況借此判斷小麥氮素的供求狀況，并可根據航拍監測的結果對氮素缺乏的部分進行精準施肥，起到精準施藥的作用[12]；此外，喬紅波等[13]使用無人機數字圖像與高光譜數據融合技術監測小麥全蝕病的發病率，并對小麥全蝕病進行病害等級劃分；冷偉鋒等[14]也利用植保無人機的遙感技術監測小麥條銹病；田明璐等[15]利用無人機調節其影像光譜分辨率，通過分析棉花葉片色差分布，繪制葉綠素相對含量分布圖，利用遙感監測進行棉花葉片葉綠素相對含量的分析測定；趙冰梅等[16]使用植保無人機低空噴灑藥劑防治棉蚜，結果顯示無人機施藥技術對棉蚜有較好的防治效果，并驗證了添加噴霧助劑能夠有效降低用藥量的實驗結果。

3.2 植保無人機在林業應用現狀

我國森林資源豐富，且森林具有經濟、生態和社會三大效益，在當今生態文明建設的巨大命題下，更好保障林業發展的可持續性，充分滿足森林資源的精細化監測和信息化管理，利用無人機及相關技術乃是重中之重。在林業應用場景中，無人機主要是在森林病蟲害防治、森林資源普查、林業資源調查、森林火災監測和防火以及方面起到重要作用。

在森林環境中，對植物病蟲害發生情況進行實時監測并建立評價體系，是進行森林病蟲害統防統治和提高防效的基礎[17]。借助于無人機與遙感、紅外探測等技術相結合，對森林病蟲害進行實時監測，可以掌握病蟲害發育歷期、整合病蟲害發生規律并對病蟲害進行預測預報，設立病蟲害發生模型，為森林病蟲害預測預報工作提供技術支撐。趙鵬[18]利用植保無人機對森林進行監測，不僅能節省大量人力、物力和時間，也能減少調查中勞動力不足及人為因素造成的監測誤差。由于森林環境中樹木高大，植物郁閉度高，空氣流動性差，傳統施藥機械難以將藥劑均勻地噴施到植物的冠層。使用無人機進行超低容量噴灑，旋翼產生的下旋氣流使得藥劑霧滴能夠較好地到達施藥部位，提高了施藥作業的效率，在節省用藥量的同時也減少了藥劑漂移。

3.3 在園林行業應用現狀

由于園林樹木高大、內側難以給藥，部分養護區域如山地公園地形復雜，傳統方式難以作業。近年來，南京、廈門、黑龍江、湖北、山東、河南等省市園林綠化養護管理部門引進植保無人機，探尋其在大規模綠地下病蟲害防治，高大喬木施藥技術等園林綠化方面的研究及推廣應用，旨在利用無人機特點，達到園林植保高效作業、精準防治的目的。

如廈門、湖北等地利用植保無人機進行榕樹、雪松等高大喬木的蟲害防治，若采用現有的噴藥車在地面作業，難以達到所需的防治作業高度，用藥量也消耗較大，選擇無人機進行施藥，一棵冠幅達10～12 m榕樹，約花費2 min即可完成噴藥，一天可噴200～300株，作業效率遠遠高于人工噴霧和常規大型施藥器械。且飛防助劑可以緩解藥液漂移和蒸騰的問題，下壓風場確保藥液均勻散布。用藥成本也大幅度減少，最佳效果能減少30%以上的用藥，降低了環境污染。

4 植保無人機在重慶園林中的應用探討

結合當前我國園林行業植保無人機應用情況，我國植保機械還處于較低推廣利用水平，較多城市園林綠化養護一線作業時仍然依靠傳統地面施藥方式如背負式打藥車、手推式打藥車進行噴灑農藥，在監測園林植物病蟲害發生情況時仍然以技術人員實地踏查為主，存在著監測不及時、覆蓋范圍有限等問題。而植保無人機在施藥效率、監測范圍及監測時效性上有著得天獨厚的優勢，能夠為園林植保行業轉型升級提供強有力的技術支撐。

4.1 植保無人機應用的優勢

4.1.1 噴灑效果好

植保無人機的作業形式為低空、超低空作業，通過專業技術人員控制導航系統，調節作業機械與目標點位的距離，預設航線路徑，并通過霧化器改善藥劑霧滴的霧化均勻性，使噴出的霧滴均勻地附著在植物葉片的表面，大幅度的提高了施藥作業的效率[19]，能夠從根本上解決園林高大喬木施藥難、覆蓋面局限的問題，能夠自上而下的將藥劑均勻噴施在受害植物上。

4.1.2 作業效率高

我國“天鷹-3”小型農用無人直升機作業效率是普通噴霧車的3～4倍，是傳統背負式噴霧機的60倍以上，可有效解決園林養護人員老齡化、一線工人嚴重不足、勞動力成本高的問題。且使用植保無人機噴施農藥能夠及時有效地控制大規模突發病蟲草害，最大程度降低病蟲害造成的損失，保障城市園林生態系統的穩定。

4.1.3 適應面廣

植保無人機以其能夠垂直起降的特性，使得其作業環境不受地形及植物長勢限制，可解決常規大型施藥器械難以進入重慶特殊地形，如山地、濕地等地作業的難題，具有更好的環境適應力，達到特殊地形病蟲害的有效防治[20]。

4.1.4 節能環保

植保無人機為低空霧化噴灑，保證均勻噴施整個植株。常規每hm2農藥用量450～600 kg，而植保無人機每畝地藥用量僅在15 L左右，節省水資源，減少農藥使用量，大幅度減少農藥對環境的影響[21]。

4.2 植保無人機在園林應用中存在的問題

植保無人機的應用也存在一些相應的制約條件，如對專業技術人員、地理環境、飛防藥劑及無人機本身性能的特定要求，給無人機的大范圍推廣帶來了一定阻力。

4.2.1 對專業技術人員要求高

無人機作業對技術人員的操作能力要求更為苛刻。無人機只有滿足以下三個條件方可合法地無證飛行：一是重量低于7 kg，二是飛行距離小于500 m，三是飛行高度小于120 m。除此之外均需要持中國航空器擁有者及駕駛員協會頒發認證的專業無人機駕駛證方可進行作業[22]。

4.2.2 對作業環境要求高

植保無人機作業過程中需要考慮到以下地理環境要求：在飛行航線周邊或飛行航線中間要有合適無人機的起落點，且在飛行航線間應有適合技術人員行走的道路；飛行航線10 m范圍內無人員居住的房屋，且需要避開人群；飛行航線10 m范圍內無電桿、無防護林、高壓線塔等有礙飛行安全或影響飛行視線的建筑及市政設施[23]。這就使得使用植保無人機進行飛防作業時需要相對開闊的環境，如山地公園、濕地公園、坡坎崖綠地等大規模的綠地，在人流密集的市街道路則較難開展工作。

4.2.3 無人機功能需更優化

無人機作業效率還受載荷量、續航時間的影響，因此需要繼續優化載荷量和續航時間，使得植保無人機的作業效率達到更高效、更具實用性。

4.2.4 飛防作業專用藥劑及助劑缺失

植保無人機的防效很大程度上與專用的藥劑相關，當前我國植保飛防作業大多倚靠操作人員的經驗或以地面施藥量與配置比例為參考，常因用量或藥劑配比不實際或缺乏專用飛防助劑而影響作業質量，導致噴灑效果差、藥劑利用率低，嚴重時甚至產生藥害。因此，研發試驗專用飛防藥劑及助劑是植保無人機亟需開展的試驗課題[24]。

4.3 植保無人機在重慶園林中的應用前景

4.3.1 山城園林特性為植保無人機提供了應用場景

“山城”重慶具有得天獨厚的自然地理風貌，城市道路順山勢展開、蜿蜒曲折，城市依山而建，園林綠化順勢而成，造就了邊坡多、立面多的園林特點，形成了大量的山地公園、坡坎崖綠地。且在打造國家園林城市的過程中，各種高大苗木相繼在公園、路邊、社區等區域“安家、落戶”。這一系列重慶獨有的園林綠化特點與其他省市較為扁平的綠化景觀模式來說，對園林養護工作提出了更復雜、更精細的要求，這也為植保無人機在重慶園林管護中開展工作提供了更加廣闊的應用場景。

4.3.2 為解決傳統作業難點提供了解決方案

目前重慶城市園林病蟲害防治一直采用傳統的人工防治方式，工人年齡較大，工作效率較低，且人工費用較高；重慶屬山地城市，高切坡、城市森林、高大喬木施藥時容易出現噴灑不均勻、防治效果差；現有園林植保施藥機械主要為背負式噴霧器、小動力噴粉噴霧機、車載噴霧設備等，這些設備普遍存在著作業效率低、噴灑精度低、霧化性能較差，容易造成浪費農藥、污染環境等問題，嚴重影響市民和植保作業人員的人身安全。植保無人機因其節約人工成本、防治效率高、防治效果好等優勢，在城市園林植保方面的應用越來越廣泛，其可根據作業任務精確計算藥量，實時校準噴灑量，高速離心噴頭可將藥液霧化到100 μm以下，智能作業、人藥分離，不僅噴灑更均勻，而且穿透性好，可以節約30%的農藥和50%的水，從而減少污染，杜絕因過量噴灑對城市生態環境的破壞。一方面節約了人工成本提高了防治效率，另一方面解決了高大苗木施藥難、噴灑不均的問題。此外，在搭配紅外成像攝像機之后，無人機還可以監測不健康的植物，從而進行病蟲害預測和防治，也可以進行全天候的實時巡航等。

4.3.3 在傳統城市園林市街道路上應用存在制約

植保無人機雖然適合山地公園、坡坎崖綠地或者較為空曠的綠地內高大喬木的施藥，但其在市街道路上的應用還存在一定的問題，如面對人行道綠化帶較窄的街道，樹冠與建筑外立面距離短，或樹干周圍有市政設施，則不適合大面積的飛防作業。但可以根據單個樹木受害情況開展針對具體樹木樹冠等高處的施藥作業。另外，對于人流量大的公園道路，則需要選取清晨或午夜等人車流量小的時段開展飛防工作，并在作業前取得相關部門的飛行許可。

4 結語

隨著植保無人機低空、超低空施藥技術的不斷發展，其已經成為防治農業、林業病蟲草害不可或缺、與時俱進的新技術。為了保障城市園林植保能夠實現更加高效、環保、快捷、安全的一線病蟲害防治作業要求，無人機施藥技術在未來將會得到廣泛應用，不斷提高城市管理精細化、智能化、人性化水平，將“繡花功夫”落實到城市管理的方方面面中。