植保無人機航空施藥作業在廣西大田作物中的應用研究

王海瀅

(廣西生態工程職業技術學院，廣西 柳州 545004)

引言

當今世界的農業，已逐步進入數字化時代，無人機技術正廣泛應用于農業植保，在農藥噴灑和葉面肥噴灑作業中大顯身手。廣西大田作物除傳統的水稻和甘蔗連片種植外，近30a來，又出現了許多縣市的大面積連片柑橘、連片芒果、荔枝龍眼、火龍果等。利用我國領先的植保無人機技術，開展必要的應用技術研究，為大田作物實行科學噴灑作業，能大大提高工作效率和噴灑效果，以確保大田作物種植產業的可持續發展。

1 植保無人機應用介紹

1.1 基本概念及分類

植保無人機是一種裝載有農林植保藥劑噴淋撒播設備的無人駕駛飛行器，一般由機架、飛控、動力、噴灑4大系統組成。現在主流的植保無人機以電動多旋翼無人機為主，根據旋翼結構可以分為傾轉雙旋翼(極飛V50)、四旋翼(大疆T10、T20,極飛P100)、六旋翼(大疆T30)、X型共軸雙旋翼(大疆T40)等。主流掛載可噴灑液態霧狀、粉狀的藥劑或肥料，也可以進行種子和顆粒劑撒播，從而提高農作物的產量和品質。

1.2 植保無人機航空施藥的優勢

1.2.1 自動化程度高

通過定位導航、姿態控制、精密傳感器、數圖傳輸等設備，操作人員可以通過控制地面站軟件預先設定好作業方案和規劃航線，從而實現無人機的自動起降、航線飛行及自動噴藥作業。

1.2.2 作業效率高

與傳統人工噴灑作業相比，無人機航空施藥在作業效率、藥劑用量、藥害安全防范等方面具有較大的優勢。

表1 無人機植保與人工植保農藥噴灑優劣對比

1.2.3 成本低

相對于使用燃油發動機的農業固定翼和單旋翼(直升機)無人機而言，電動多旋翼無人機結構簡單，價格便宜，相比居高不下的油價，電價成本低，電池的保養要比復雜結構的燃油發動機保養簡單，從而使得在設備上的投入成本不高。

1.2.4 安全性高

由于植保無人機全程自動駕駛完成噴灑任務，在規范操作的前提下，相關人員不會直接接觸到農藥，對人體傷害極小。通過搭載視覺定位、超聲雷達等傳感器，可以進行精準避障，提升了安全性。

1.2.5 操作簡單

多旋翼植保無人機相對固定翼和直升機操作簡單，一般群眾通過短期專業化訓練便可熟練掌握操作方法，且大多數時間為自動作業，從而降低了操作難度。

2 國內外植保無人機航空施藥技術應用現狀

2.1 國外無人機航空施藥技術概況

航空施藥技術是伴隨著飛機及現代農業技術的發展產生的。早在1911年，德國科學家就提出使用固定翼飛機噴施農藥防治病蟲害的想法。1949年美國就已經開始農用飛機的研制與應用，是全球農林航空施藥規模最大的國家。

1985年日本 Yamaha公司推出農用“R-50”型無人直升機用于航空施藥，這是首次將無人機駕駛飛機用于農業航空施藥。日本為進一步推動無人機的普及和安全使用，制定了其在農業領域推廣普及無人機計劃，包括農藥化肥噴灑、鳥獸害防治等領域，力圖到2022年無人機噴灑農藥的面積擴大至100萬hm2,并且實現50%以上的糧食和大豆種植區域引入無人機作業[1]。

2.2 我國植保無人機噴灑作業發展迅猛

我國第一次航空施藥是在1951年，在廣州使用了一架C-46型固定翼飛機在2d內執行了41架次的滅蚊蠅任務。2015年以前，我國航空施藥領域一直是以有人機為主，包括輕型固定翼飛機和直升機，無人機也是以直升無人機為主。但是由于航空噴灑成本高、技術難度大，對于以傳統農業模式為主的我國農業來說，無法大范圍推廣，只能處于研究探索階段[2]。

而2015年以后，以大疆創新為代表的多旋翼電動無人機創新企業的快速發展，使得大眾看到了多旋翼無人機在農林航空施藥領域的發展潛力[3]。大量無人機創新企業也將電動多旋翼無人機應用于農林植保領域，華創證券經濟分析師預測到2022年植保無人機整機銷售、植保服務、維護維修、飛防藥劑、飛手培訓等相關市場總規模將突破600億元。

2.3 以無人機為代表的智能裝備正發力助推數字農業的快速發展

近3a來，我國農業相關部門正以“機械化+數字農業”為抓手，推動無人機數字農業應用拓展已初步形成3個梯隊。第1梯隊是大田應用，第2梯隊是果樹應用，第3梯隊則是推動減肥減藥、增產增收的數字農業應用。聚焦全程全面機械化，通過智能裝備落地更多的數字農業應用，推動中國農業的可持續發展[4]。在這方面表現突出的大疆無人機在2021年的稻種播撒作業面積已突破666.67萬hm2/次，播撒設備的保有量也突破了3萬臺大關。特別在黑龍江的水稻種植區，DJI-T30幾乎成為了播撒設備的標配。

3 廣西大田作物主要門類種植情況及無人機噴灑作業現狀

3.1 廣西大田作物種植的主要門類

廣西作為我國南方熱帶和亞熱帶地區，主要大田作物種植的是水稻、甘蔗和以柑橘為主體的水果。

大米作為人們一日三餐不可或缺的糧食，在廣西各地都有種植稻谷作物，據2018年統計，廣西稻谷種植面積5799千hm2，而且這些年來因國家對糧食生產政策的傾斜支持，每年種稻面積正在回升。其中南寧、玉林、桂林3市的水稻種植面積都一直穩定在220千hm2以上[5]。

中國是世界上栽培橘樹最早的國家，現已成為世界上第1大柑橘生產國。由于氣候環境適宜，廣西柑橘已連續6a成為全國柑橘栽培產量最大的省區，據國家統計局數據，2020年廣西柑橘種植面積約為57.33萬hm2，產量超過1200萬t。

目前廣西甘蔗種植面積占全國70%以上,在我國食糖市場中占有重要的地位，2021年，廣西種植糖料蔗達76萬hm2，比上年增加16666.67萬hm2[6]。

3.2 廣西植保無人機航空施藥現狀

近年來，因廣西農村大量勞動力外出務工，留守的多為老人和孩子，大多數耕地陸續流轉到種植專業戶手上，而這些種植大戶卻經常為找不到勞動力而發愁。加之廣西晴好天氣較少，適于追肥和噴農藥的時間緊迫，而這時卻特別缺乏人手，于是，無人機噴灑作業就有了大顯身手的機會。

廣西無人機噴灑作業服務最多的是連片種植的水稻、甘蔗和柑橘類水果等大田作物。這些大田作物每年都會較有規律地發生各種病蟲害，導致噴灑農藥的工作量大而集中。此外，為了提高農作物產量和質量，需要根據作物長勢定期播撒肥料、噴灑葉面肥或植物調節劑。于是，在一定時限和晴好天氣短時間內要完成這些工作，依靠傳統的人工操作幾乎是不可能的。近年來，廣西無人機服務機構和個體飛手，已經開始提供相應的服務，解了種植大戶的燃眉之急。

廣西植保無人機服務機構和個體飛手優選相應的農藥和配方，重點對常見的甘蔗螟蟲進行農藥噴灑，獲得很好的效果。而對于種植面積快速增長的柑橘，無人機噴灑作業更是發揮了人工不可替代的作用。廣西種植柑橘最多的桂林市，近2a已有不少種植大戶開始使用無人機對柑橘木虱進行飛噴藥殺，從而有效地控制了黃龍病的傳播危害。

4 廣西大田作物無人機施藥作業存在問題和困難

4.1 山區丘陵地貌影響作業效果

復雜地形地貌在一定程度上影響了無人機噴灑效果。以中國大疆為主導的多旋翼植保無人機操控系統雖然能適應各種地形，對于平坦連片的稻田、甘蔗地防治速度快且噴灑均勻，而對于山地果園或群峰環繞的坡地操作難度大，作業時間長，存在防治死角，不能在最佳防治時間完成噴施作業，一定程度上影響了防治效果。

4.2 不良天氣影響無人機噴灑作業正常進行

天氣對飛機飛行的影響十分明顯，對電動多旋翼無人機影響更加明顯，同時對植保無人機的噴施效果有決定性影響。廣西處于亞熱帶季風氣候區，高溫、下雨、刮風的天氣時有發生且變化無常，這種氣候導致無人機在最緊急的時段難以正常飛行作業，作業中途因天氣變化而被迫中止的情況也時有發生，這不僅影響到大田作物的病蟲害防治和作物營養補充，還會降低已噴灑部分的藥效和肥效。

4.3 零星地塊噴灑作業導致成本增加

廣西多山，地勢起伏不平，連片大田噴灑作業面積在100hm2以上規模的較少，面積在30hm2以下的零星地塊較多，在這樣的小地塊或不規則地塊設計飛防線路和配藥，會增加人工操作成本和用藥成本，這也會在一定程度上影響種植戶采用無人機作業的積極性。

4.4 續航能力不足導致作業效率降低

由于電池能量密度、自身載重、結構設計等多種因素影像，多旋翼電動植保無人機空藥箱飛行時間一般30min左右，而滿荷載飛行時間一般在10～20min以下，大風、低溫等極端天氣因素也會降低續航時間。在充電方面，植保無人機航空施藥一般在野外執行，野外充電設施較少，無人機電池充電時間也較長，這就需要準備多塊備用電池，從而增加了設備投入[7]。

4.5 專業化無人機植保人才缺乏

無人機植保不能簡單理解為用飛機來噴農藥，這應該是一個系統工程。對于無人機植保操作人員來說，不僅要求會駕駛植保無人機，還要熟悉無人機特性、結構、相關法規，能夠正確使用植保無人機。同時要求操作人員要掌握病蟲害防治、農林生產管理等多種綜合技能，能制定無人機植保實施方案，保證作業順利執行。未經過專業技能訓練的傳統農戶無法完全發揮植保無人機的效能。

5 廣西大田作物無人機噴灑作業的幾點建議

5.1 集成地形測繪及三維建模數據

針對廣西特殊的地形地貌，無人機操控人員需要提前實地勘測，如果地勢起伏過大，周邊有山峰或地塊形狀不規則，就應當事先進行三維地形重建，并將三維地形數據上傳植保無人機平臺，盡可能利用先進的5G技術建模，并使用北斗導航技術配合無人機操控系統，科學規劃設計自動控制的飛行線路，破解復雜地貌的噴灑作業難題。可將測繪無人機系統與植保無人機集成為一個系統，提高針對不同地形的作業效果。

5.2 選擇晴好時段抓緊作業

廣西作為熱帶和亞熱帶季風氣候區，刮風下雨變化無常，為避免特殊氣候對無人機噴灑作業的不利影響，技術人員需要密切關注當地的天氣預報，選擇較安全的晴好時段進行噴灑作業。如遇天氣突變刮風下雨，應立即中止作業，操控無人機安全返航，并做好下次補噴的預案。

5.3 多戶連片大面積噴灑

為節約作業成本，提高防治效果，無人機植保團隊應努力做好作業點周邊地塊種植戶的工作，提前派人找到相關農戶，說服其接受統一安排飛防作業，盡量做到“多戶連片，統一噴灑，協同共贏，確保豐產”，實施大面積統防統治作業，為提高農藥和葉面肥的噴灑效率和效果做好基礎工作。

5.4 引入新型電池技術

現在大部分無人機使用的都是聚合物鋰電池，該類型重量輕體積小，能量密度較大，放電效率高，但是由于能效問題，大多數多旋翼型無人機飛行時間都不會超過30min。近年來電動汽車產業也呈現高速發展的態勢，尤其是電動汽車電源已經達到千公里級別的續航里程，跟飛機發動機技術的發展歷程一樣，如果能將電動汽車電源技術與無人機技術高度融合，無人機續航問題也將得到有效的解決。

5.5 推進專業化無人機植保隊伍建設

結合鄉村振興戰略，推進植保無人機設備技術及航空施藥技術發展，增強無人機植保專業技術人員隊伍建設，加大科研資金投入，解決植保無人機關鍵技術問題。鼓勵大中專院校加強無人機植保專業人才的培養和培訓，建設同時具備無人機技術、農林植保技術的新型農民，通過職業培訓提升傳統農民的無人機航空施藥能力。

6 總結

本文通過對國內外電動多旋翼植保無人機航空施藥情況的分析，根據廣西大田農作物種植特點和無人機噴灑作業應用現狀，提出了關于大田作物種植區地形、氣候、作業面積、機型續航能力等制約因素和問題，相應給出了幾點建議，旨在突破無人機農田噴灑作業桎梏，在盡量節約作業成本的前提下，科學實用地開展無人機噴灑作業，以達到最佳的噴灑效果，為廣西主要大田作物農藥、肥料和植物調節劑的噴灑作業提供一定的技術參考。