基于多旋翼植保無人機的板栗飛防效果研究*

魏源，蘇強，曾揚鵑，杜菁菁，齊永順，4，王東升，4

(1.河北科技師范學院園藝科技學院,河北秦皇島,066004;2.板栗產業技術教育部工程研究中心,河北秦皇島,066004;3.河北省特色園藝種質挖掘與創新利用重點實驗室,河北秦皇島,066004;4.河北省板栗產業協同創新中心,河北秦皇島,066004)

0 引言

植保無人機由于其在作業效率、節水節時、適應性、靈活性等多個方面具有優勢,近年來得到了較快速的發展[1],在玉米、小麥等大田作物應用較多[2],對水稻、棉花的病蟲防治有著非常顯著的效果,然而受地形地貌及作物自身屬性的影響,限制了植保無人機在山區的柑橘、茶葉、蘋果、板栗、桃樹等經濟作物上的應用,相關報道還較少[3]。

目前,由于板栗單產低、效益差、立地條件惡劣,使得板栗的生產多處于靠天吃飯的窘境,其栽培管理也多為粗放管理模式。導致栗園后期郁閉嚴重,產量低,效益差。據估計,板栗低產低效林占全國種植面積的80%左右,年均單產僅有70 kg左右。病蟲防治是板栗栽培管理中的重要環節,當前模式耗費人力巨大,管理用工費用逐漸增高,人工施藥對身體傷害極大,生態環境逐漸失衡等,極大制約著板栗產業可持續健康發展。通過植保無人機飛防大田作物已經逐步成熟,然而其對于果樹的研究卻少之又少,果樹生長環境惡劣,且人力物力耗費巨大,如果可以通過試驗選定出針對果樹的最佳飛行參數,并對其進行深入研究是非常有必要的。本研究利用大疆植保無人機T16、T20、T30,在秦皇島市撫寧區進行了多旋翼植保無人機飛防霧滴效果優選試驗,制定12種不同的參數搭配組合,探索其在板栗飛防中的可行性及作業效果,為檢驗無人機在開心型板栗園噴灑農藥和防治有害生物效果,制定板栗無人機飛行作業標準提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

施藥機器：多旋翼植保無人機型號為大疆T16、T20、T30,利用扇形壓力噴頭,超低量噴霧飛防施藥。用藥量為119.40 L/hm2,T16最大噴頭流量4.8 L/min,T20最大噴頭流量6 L/min,T30最大噴頭流量8 L/min。

檢測用具：正品精準科研數據分析專用水敏紙霧滴測試卡,萬向夾(尺寸8 cm)、自封袋(尺寸10 cm×15 cm)、標簽貼紙(常規標準尺寸)以及希瑪高精度手持式風力測試儀AS836。

1.2 試驗設計

該試驗于2021年10月27日進行,試驗果園選在河北省秦皇島市撫寧區淼源堅果合作社板栗園內,位于N39°72′,E119°22′,地處燕山山脈東段丘陵地區與山前平原地帶。當日平均氣溫為15 ℃,空氣濕度為62%,自然風速為1.2 m/s。選擇3棵土壤肥力、果樹長勢相同,樹體指標接近,土肥水管理條件一致的板栗樹,試驗品系為“撫寧15號”,株行距為3 m×4 m。樹體指標如表1所示。本試驗共設12個處理,每個處理3次重復,其中飛防作業根據大疆T16、T20、T30植保無人機的基本性能(技術參數),按照噴霧作業質量要求,結合板栗園實際作業情況和工作經驗,設計處理參數如表2所示。

表1 樹體指標Tab.1 Tree body index cm

表2 試驗設計Tab.2 Experiment design

1.3 試驗方案

為保證試驗的準確性,先進行噴幅預試驗,試驗田內選定矩形區塊,設置一條長15 m,相距1 m平行的霧滴采集帶,從中心線橫向每隔1 m布置一根鋼管,隔離帶共15個點,將霧滴測試卡固定在每個點位。在無風的情況下,操作植保無人機沿中間飛行,模擬噴霧條件。待預試驗結束后,將測試卡帶回實驗室,用霧滴計數卡計算出每張霧滴測試卡上的霧滴數(個/cm2),如果霧滴數高于20個/cm2,則為有效霧滴沉積密度,兩張最低有效霧滴沉積數卡片的距離,為測定植保無人機噴霧的航幅。

根據無人機起飛路徑,在距離起飛點30 m處,開始選定兩兩間距10 m的三棵試驗樹,此時飛機運行穩定,速度高度已達到初定標準。選定樹冠中部南向和東向的主枝,沿主枝伸長方向,從內到外分別水平放置三張測試卡。使用萬向夾將測試卡與葉片固定結實,確保正面朝上,保證與地面平行。操作無人機沿樹木中線飛行(用清水代替藥劑進行噴霧),嚴格監控記錄飛行時間、噴灑面積,填寫飛行記錄,同時使用風力測試儀進行風力、風溫測定。噴灑結束以后,按要求收取測試卡,進行信息提取。

1.4 數據處理

將數據用六六山下霧滴軟件進行霧滴分析,得出不同處理的DV1(取樣霧滴的體積按照從小到大進行排序累積,當累積值達到10%時所對應的霧滴直徑)、VMD(取樣霧滴的體積按照從小到大進行排序累積,當累積值為50%時所對應的霧滴直徑)、NMD(取樣霧滴的個數按照從小到大進行順序累積,累積值為50%時所對應的霧滴直徑)、霧滴譜寬度、霧滴密度、覆蓋率、農藥沉積量。利用Excel 2010對數據進行整理和相關性分析,利用SPSS 24.0進行主成分分析,得到主成分分值,以所選主成分對應的貢獻率占所提取的2個主成分的貢獻率總和的比例為權重,計算前2個主成分的分值與相應權重的乘積累加,得到綜合分值F,分析研判各個指標之間相關性。以此來評價不同組合處理的優劣[4],選出最優處理。

2 結果與分析

2.1 不同飛行參數下指標效果分析

DV1值越大表明霧滴效果越好[5],不同處理下DV1數值差異顯著,最高的M10為97.47 μm,最低的M5,僅為M10的四分之一。T16無人機與T20無人機各處理之間無顯著差異,保持在24.35～40.59 μm之間,而T30無人機的DV1均值要比前者高出兩倍之多。當無人機型號相同飛行參數不同的情況下DV1值均無顯著差異。通過對比不難發現,當無人機高度不變,隨著飛行速度增加,DV1值呈上升趨勢。

VMD值越大表明霧滴效果越好[6],其中M9的VMD值最高,達到229.93 μm,是最低的M5的2.2倍。對比不同機型可以發現,T30與T16、T20無人機的VMD值差異顯著,且明顯優于T16、T20。T30不同處理的VMD值均高于200 μm,而T16和T20試驗中最大的VMD值僅為166.71 μm。同一機型的不同處理間,VMD值雖有所變化,卻無顯著差異。此外,還發現使用T16和T20進行試驗時,當一個參數固定,VMD值會隨著另一個參數的升高而升高。然而在T30試驗中,當一個參數固定,VMD值隨著另一個參數的升高而降低,表現了完全不同的變化規律。

不同處理下NMD數值的區間在28.53～143.05 μm之間,最高的為M10,最低的為M5,最高的M10是最低的M5的5倍。通過對比發現,T30無人機在不同處理下無顯著差異,穩定在136.08～143.05 μm之間,反觀T16、T20無人機在不同處理下則差異顯著,最小值為28.53 μm,最大值高達64.54 μm,NMD值越大表明霧滴效果越好,T30無人機要明顯優于T16、T20無人機。在T20無人機進行試驗的過程中,當一個參數固定,NMD值會伴隨另一個參數呈現上升趨勢。

霧滴粒徑分布均勻度用霧滴譜寬度來表示,值越小表示均勻度越好[7],不同處理下霧滴譜寬度數值在0.90～1.69之間,最高的為M7,最低的為M9,M9處理霧滴分布最為均勻,效果最優,霧滴譜寬度為0.90,M7處理高達1.69。T30無人機試驗中霧滴譜寬度數值均穩定在1.20以下,而T16無人機、T20無人機霧滴譜寬度數值介于1.21～1.69之間,T30植保無人機的霧滴粒徑分布均勻度要優于T16植保無人機,T16植保無人機要優于T20植保無人機,所有處理均無顯著性差異。當T16無人機進行試驗時,高度參數不變,霧滴譜寬度會隨著飛行速度的增加呈現上升趨勢。當T30無人機進行試驗時,無論設置哪一個參數為定值,霧滴譜寬度都會伴隨另一個參數呈現上升趨勢。

不同處理下霧滴密度數值在29.80～74.58個/cm2之間,最高的為M12,是最低的M5處理的2.5倍。T30無人機霧滴密度數值介于63.21～74.58個/cm2之間,T16無人機與T20無人機各處理之間無顯著性差異,T30無人機的霧滴密度均值要高于T20無人機,T20無人機要優于T16植保無人機。霧滴密度越高防治效果也就越好。當T16無人機進行試驗時,高度參數不變,隨著飛行速度增加霧滴密度呈現下降趨勢,當T20無人機進行試驗時,速度不變,隨著飛行高度增加霧滴密度呈現上升趨勢。

不同處理下霧滴覆蓋率在4%～21.33%之間,最高的為M9,是最低處理M2的5.3倍。霧滴覆蓋率越高霧滴效果越好。T30植保無人機的霧滴覆蓋率均值要優于T20、T16植保無人機,T20、T30無人機各處理間無顯著性差異。當T16無人機試驗高度不變時,霧滴覆蓋率會伴隨著飛行速度的增加呈下降趨勢;然而當速度參數不變時,霧滴覆蓋率又隨著飛行高度增加呈現上升趨勢。T20無人機高度不變,隨著飛行速度增加霧滴覆蓋率呈現上升趨勢;速度不變,隨著飛行高度增加霧滴覆蓋率呈現下降趨勢。

在葉面上沉積藥量越多,噴灑效果就越好,流失在環境中的藥量就越少。不同處理下農藥沉積量在0.15～1.24 μL/cm2之間,農藥沉積量最高的M9,是最低的M2的8倍。T30無人機各處理霧滴農藥沉積量均值為0.825 μL/cm2,T16與T20無人機各處理農藥沉積量均值都低于0.58 μL/cm2,T16無人機在進行試驗時,高度參數不變,隨著飛行速度增加農藥沉積量呈現下降趨勢;當T20無人機速度不變,隨著飛行高度增加農藥沉積量呈現下降趨勢。

農藥通過無人機噴灑的霧滴譜寬度、覆蓋率、農藥沉積量、覆蓋密度、覆蓋的均勻性都會對藥效發揮有顯著影響[8]。是判定植保無人機最適合組合的重要因素,不同飛行參數下各指標差異性分析如表3所示。

表3 各指標差異性分析Tab.3 Differential analysis of each indicator

2.2 12個不同處理的主成分分析

利用SPSS24.0對7個試驗指標進行主成分分析,分別計算了7個指標的特征向量、特征值及貢獻率(表4)和成分矩陣(表5)。

表4 七個指標的特征向量、特征值及貢獻率Tab.4 Eigenvectors,eigenvalues,and contribution rates of the seven indicators

表5 七個指標的成分矩陣Tab.5 Component matrix of the seven indicators

前2個主成分(特征值>1)的累計貢獻率達到89.087%,即前2個主成分可以代表所測所有指標89.087%的信息量,解釋了絕大部分的原始信息。由各特征向量和貢獻率可以得出,第1主成分的貢獻率最大,達到了71.716%,特征值為5.02,主要由DV1、VMD、NMD、霧滴譜寬度、霧滴密度等因子決定;第2主成分的貢獻率為17.371%,特征值為1.216,主要由農藥沉積量因子決定。各指標間的相關性分析可以了解其內在聯系,為篩選最佳處理提供依據。

通過表6可以發現,DV1和NMD呈極顯著正相關(R=0.997,P<0.01),霧滴譜寬度和覆蓋率呈極顯著負相關(R=0.735,P<0.01),霧滴密度和NMD呈極顯著正相關(R=0.802,P<0.01),霧滴覆蓋率和農藥沉積量呈極顯著正相關(R=0.848,P<0.01)。

表6 各指標之間相關性分析Tab.6 Correlation analysis among the various indicators

2.3 七個不同指標的綜合評價

由表7得分系數矩陣可以計算出2個主成分的得分,最終算出綜合得分F。從綜合指標上看,綜合分值F越高,通過指標表現出來的處理越理想。不同處理的主成分得分及綜合評價的分析結果如表8所示。

表7 成分得分系數矩陣Tab.7 Component score coefficient matrix

表8 12個處理的綜合得分以及排名Tab.8 Composite scores for the 12 treatments as well as rankings

從表8可以看出,綜合分值排名前5位的分別為M9、M10、M12、M11、M3,說明這幾個處理綜合表現理想;M8、M7、M6、M4、M2得分居中,說明這幾個處理的綜合表現一般;M1、M5評分較低,綜合表現較差。

3 討論

植保無人機體積較小,能夠適應各種場地,在農業病蟲害防治工作中具有安全、高效的優勢,能夠提升實際應用的便利度,與傳統農業生產相比,使用植保無人機可以節約農藥和水以及減少污染。目前我國植保無人機主要機型有大疆T16、大疆T20、大疆T30、天鷹-3、極飛P20、極飛V40等,其中大疆T16、T20、T30是農戶們應用最多、性價比最高、總體反饋最好的三款無人機,因此對這三款無人機進行試驗具有切實的可行性和參考性。

近年來關于無人機飛行參數對霧滴沉積效果影響的研究較多[9]。高圓圓[10]與張聰合等[11]研究發現植保無人機飛防作業質量受作業技術參數的影響很大,無人機作業技術參數包括飛行高度、飛行速度、噴幅寬度等,其中飛行高度、飛行速度對霧滴沉積有顯著性影響。合理的飛行參數組合對于植保無人機的高效利用是至關重要的。考慮到植保無人機的施藥范圍、施藥區域等問題,在小麥、玉米、高粱等大田作物中一般采用超低容量噴霧技術進行噴施[12-13]。高軍等[14]認為無人機飛行高度不宜過低,若飛行高度較低,旋翼風場之外的霧滴受力情況較為復雜,受到環境風場、旋翼風場的邊界效應、環境溫度等多重因素的影響,一部分霧滴在還沒有落到葉片上就已經消散,另一部分霧滴由于復雜風力的作用會發生飄移[15-17],霧滴均勻性變差,藥害風險增加,藥液大量沉積地面從而造成浪費,飛行高度一般為1.5～2 m。然而,果樹作為一種高大樹種,一般種植在山坡、丘陵地帶,生長環境艱苦,人工作業較為困難,采用植保無人機開展防治工作可提高工作效率。王聰等[18]認為不同沉降距離下的霧滴覆蓋密度存在非常大的差異,當沉降距離從1.5 m增加到3 m時,霧滴覆蓋密度減幅超過65%;顯然無人機飛防果樹的作業高度直接影響到了霧滴的沉降效果,飛行高度一般設定在2 m左右。薛新宇等[19]通過篩選N-3型無人機施藥參數研究發現,無人機在3 m高度以下施藥的效果最好。余文勝等[20]認為運用較低速度、較大流量可以更好地使用植保無人機均勻噴灑至茶樹葉面,當速度較快時,霧滴無法有效沉降在樹體內部,繼而影響樹葉的沉積與吸收,飛行速度為1 m/s、1.5 m/s時可以讓樹葉更好地吸收藥液。對于開心型板栗樹,冠層厚度較大,當飛行高度達到3 m時,霧滴沉降距離顯著上升,受飄離影響,對于樹冠內部葉面影響較大。植保無人機的噴幅有限,當植保無人機飛行高度低于2 m,又會影響到樹冠外圍樹葉的噴灑效果,所以高度范圍為2～2.5 m。綜上所述,在對板栗樹進行飛防效果研究時,飛行速度設置為1 m/s、1.5 m/s,飛行高度設置為2 m/s、2.5 m/s。

常見的航空噴施作業質量性能指標主要有單位面積霧滴沉積量、霧滴譜寬度、霧滴覆蓋密度及均勻度[21]。余文勝等[20]采用體積中值直徑(VMD)或數量中值直徑(NMD)等指標對霧滴沉積效果進行研究。本文基于不同機型、不同速度、不同高度組合下的VD1、VMD、NMD、農藥沉積量、霧滴密度、霧滴譜寬度、覆蓋率七個性能指標數據,利用六六山下霧滴軟件進行霧滴分析[22-24],研究發現其總體趨勢基本一致,所選指標可以有效反映植保無人機的噴霧質量,最后結合主成分分析法進行分析,發現T30植保無人機的飛防效果顯著優于T16、T20植保無人機,T30植保無人機最理想的飛防參數為：速度1 m/s,高度2 m,噴幅7 m。

已有多項研究表明植保無人機噴霧相對于常規噴霧,工作更加高效、防治費用成本更低,具有良好的應用前景[25-27]。伴隨著科技的進步,多旋翼無人機技術的蓬勃發展引發了植保無人機產業迅速成熟,目前無人機研發機構正在著手精準噴藥方式提高、先進傳感器開發、變量噴藥控制方式改進、霧滴沉降規律研究、藥物漂移預防等。無人機還可以運用于蘋果、葡萄、山楂、櫻桃等一切生存環境困難的植物,如果可以早期研究甚至可以馬上運用到實用當中去,對于農藥的節省,人力物力的大量節約,資源的利用開發都有很大的貢獻,在不久的將來山區、牧區,均可以噴灑,甚至還可以涉及到人類無法到達的區域,這些都是在日前的文獻中少有記載,未來也將會彌補我國在農業無人機領域的空白局面。

4 結論

本文使用大疆T16、T20、T30植保無人機對板栗樹進行噴灑試驗,通過設置不同的飛行參數,研究了12種不同飛行組合對霧滴密度及覆蓋密度等七個指標的影響,并對數據進行處理分析,提出了無人機板栗噴灑作業參數的優化建議,結論如下。

1) 通過對比數據發現,在飛行參數相同的情況下,大疆T30植保無人機各項指標要優于T16、T20植保無人機,T30無人機的DV1值約為T16、T20的3.1倍,VMD值約為1.56倍,NMD值約為3倍,霧滴密度、覆蓋率、農藥沉積量三個指標的倍數分別為1.5倍、1.92倍、2.1倍。

2) 通過SPSS主成分分析法發現,大疆T30植保無人機在飛行速度為1 m/s、飛行高度為2 m時,總得分最高,分值為1.268,分值最低的為-1.12,飛行參數是速度為1 m/s、高度為2 m的T20植保無人機,通過對比不同飛行參數下植保無人機在開心型板栗園的飛防效果,達到防治有害生物的效果,建議選擇T30無人機,飛行參數為速度為1 m/s、高度為2 m。