植保無人機在水稻病蟲害防治應(yīng)用中的對策研究

摘 要：為了深入研究無人機在水稻病蟲害防治中的規(guī)律，致力于推動無人機植保技術(shù)的不斷改進和提升，減少農(nóng)藥用量，提高水稻植保質(zhì)量。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的大背景下，依托合作企業(yè)和無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，以植保無人機技術(shù)為研究對象，明確研究思路，制定具體的研究對策。通過實踐探索，成功研發(fā)出適用于湖南省主要農(nóng)作物水稻的高效植保無人機作業(yè)方案和植保無人機操控技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無人機植保；水稻防治；病蟲害

中圖分類號：S635 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–00-03

我國是農(nóng)業(yè)大國，各類農(nóng)作物的高質(zhì)量產(chǎn)出為國民提供了生活保障。為了提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，需要提高農(nóng)作物的防蟲防病率，使用傳統(tǒng)方法進行病蟲害防治時，噴灑處的農(nóng)藥只有大約1%沉積到植物靶標上，大部分農(nóng)藥在地面上流失，噴灑農(nóng)藥有效利用率僅為20%～30%，為了達到防治效果，必須大量噴施農(nóng)藥，造成了大部分農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染[1]。

為了提高農(nóng)作物的植保質(zhì)量，2016年湖南省印發(fā)了《湖南省農(nóng)藥使用量零增長行動實施方案》，提出了“公共植保、綠色植保、科學(xué)植保”的理念[2]。黨的十九大提出“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”“深化農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，走質(zhì)量興農(nóng)之路”“堅持人與自然和諧共生，走鄉(xiāng)村綠色發(fā)展之路”[3]。目前，我國在植保機械技術(shù)方面仍然存在較大的發(fā)展空間。數(shù)據(jù)顯示，我國植保器械中，手動施藥器械占比高達78%，中小型機動植保機械占比20%，而拖拉機配套噴霧機僅占2%。施藥方法仍然以大容量、粗放為主，然而采用先進的植保器械和低容量施藥技術(shù)可以有效減少藥液流失，提高農(nóng)藥的利用率。

為了提高植保效率，我國植保技術(shù)逐漸向地面和航空植保機械方向進行研究。2017年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《關(guān)于開展農(nóng)機購置補貼引導(dǎo)植保無人機規(guī)范應(yīng)用試點工作的通知》，提出促進植保無人機規(guī)范應(yīng)用，促進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革[5]。

湖南省地形多樣，包括山地、丘陵等復(fù)雜地形，傳統(tǒng)地面機械難以進行植保作業(yè)。因此，發(fā)展植保無人機技術(shù)勢在必行。植保無人機具有作業(yè)效率高、單位面積施藥液量小、無需專用起降機場、機動性強等優(yōu)勢。2021年12月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機化司對湖南省2017年的植保無人機試點工作進行了評估，評價組對湖南省的實施情況給予了高度認可。

湖南省雖然在植保無人機技術(shù)方面已經(jīng)取得了一些成果，但其在廣大的農(nóng)村地區(qū)尚未得到廣泛應(yīng)用，仍處于探索階段。目前，面臨著一些亟待解決的問題：首先，植保無人機價格昂貴，操作難度大，缺乏懂農(nóng)業(yè)的專業(yè)操作人員；其次，缺乏針對低空低量高效施藥的配套技術(shù)，施藥參數(shù)缺乏科學(xué)依據(jù)；最后，湖南省農(nóng)村田塊分散，固定翼飛機施灑農(nóng)藥并不適用。

為了助推鄉(xiāng)村振興，婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院特別開設(shè)了無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，于2022年下半年開始招生。致力于培養(yǎng)從事無人機生產(chǎn)、裝配調(diào)試、維護維修、無人機植保應(yīng)用等多方面技能的復(fù)合型人才，同時不斷探索植保無人機的應(yīng)用技術(shù)。

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，以合作企業(yè)、無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)為依托，以植保無人機技術(shù)為研究對象，通過實踐研究總結(jié)出適應(yīng)湖南省主要農(nóng)作物水稻的高效率植保無人機作業(yè)方案和植保無人機操控技術(shù)。通過研究，找出無人機植保在水稻病蟲害防治中的一般規(guī)律，以此促進無人機植保技術(shù)的改進和提高、減少植保所需藥劑的用量、提高水稻植保質(zhì)量。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

植保無人機主要由飛行平臺、飛控系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)3個部分組成。目前，植保無人機技術(shù)的研究熱點主要集中在無人機作業(yè)方案和無人機控制技術(shù)等方面。

1.1 無人機作業(yè)方案的研究現(xiàn)狀

無人機作業(yè)方案包括無人機飛行高度、飛行速度、噴幅寬度、噴霧流量等內(nèi)容。在噴霧系統(tǒng)研究領(lǐng)域，美國在20世紀60年代率先將靜電噴霧搭載于大型有人駕駛飛機的農(nóng)藥航空作業(yè)。20世紀末，Carlton獲得了航空靜電噴霧系統(tǒng)專利。但由于美國農(nóng)藥標簽規(guī)定施藥量與靜電施藥量不一致，導(dǎo)致其使用成本過高，限制了該技術(shù)在美國的發(fā)展。

英國研究了轉(zhuǎn)盤式靜電噴頭，日本制作了微型錐孔旋轉(zhuǎn)噴頭、彌霧噴頭，這些科研成果均推動了靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展。國外還開始采用CFD模擬技術(shù)建立了三維噴霧模擬并研究噴霧霧滴漂移特性。

我國靜電噴霧技術(shù)起步于20世紀70年代，研究較早的有江蘇大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等相關(guān)科研院校，在地面植保器械靜電噴霧系統(tǒng)、無人機靜電噴霧系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域均有突破性的進展。

1.2 無人機控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，國外針對無人機系統(tǒng)控制技術(shù)研究已經(jīng)取得了許多成效，Johnson等提出了可靠自主控制技術(shù)；Ward提出了無人作戰(zhàn)飛機智能自主控制；Cheng認為模型預(yù)測控制MPC可以提高UAV自主水平；Reichard等研究了自主控制的智能態(tài)勢感知。

國內(nèi)對無人機系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究起步較晚，主要解決了飛行控制問題，平臺的自主能力不強，其中，周銳等[6]提出了無人機分層式智能控制結(jié)構(gòu)；張新國等[7]探討了不確定環(huán)境下自主飛行控制面臨的挑戰(zhàn)；王宏倫等[8]闡述了無人機自主飛行控制系統(tǒng)組成等。

總的來說，國內(nèi)外已有自主控制水平普遍不高，缺乏對不確定事件的感知、判斷與處理能力，只能實現(xiàn)無人機系統(tǒng)在相對確定環(huán)境下的自主或半自主控制，目前尤其是植保無人機自主控制技術(shù)尚不成熟。

2 研究內(nèi)容

湖南農(nóng)村水稻病蟲害問題一直是影響其水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。從以往的經(jīng)驗來看，常見的病害有稻瘟病、紋枯病、卷葉螟等，主要害蟲有稻飛虱、卷葉螟等。為了有效防治這些病蟲害，減少農(nóng)藥殘留，團隊主要從以下2個方面進行研究：

（1）稻田對比試驗，獲得最佳植保無人機作業(yè)方案。通過湖南水稻的農(nóng)藥噴灑作業(yè)試驗，深入研究植保無人機作業(yè)方案。通過比較試驗，獲取相關(guān)技術(shù)參數(shù)，總結(jié)植保無人機飛行高度、飛行速度、噴幅寬度、噴霧流量等技術(shù)參數(shù)，對病蟲害植保效率和效果的影響，從而確定適合不同情境的最佳植保無人機作業(yè)方案。通過實踐研究，獲得植保無人機技術(shù)參數(shù)選擇的數(shù)據(jù)庫。

（2）實踐研究，制定植保無人機操作規(guī)范。通過對湖南農(nóng)村山地、林地等典型田地的農(nóng)藥噴灑作業(yè)試驗，深入研究植保無人機操控技術(shù)，包括規(guī)劃飛行路線、自動定高、自動避障等操作技術(shù)，通過實踐研究制定植保無人機操作規(guī)范。

3 研究對策

3.1 充分調(diào)研，確定研究方案

通過對合作企業(yè)和農(nóng)戶的調(diào)查研究，搜索、整理湖南省植保無人機技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)文獻，了解目前湖南省植保無人機技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和亟須解決的問題；調(diào)查植保無人機作業(yè)方案、植保無人機操控技術(shù)在植保領(lǐng)域的應(yīng)用情況和發(fā)展前景，通過比較研究，確定最佳研究方案。團隊通過對湖南農(nóng)村典型稻田開展農(nóng)藥噴灑作業(yè)試驗，比較每次試驗參數(shù)對作業(yè)效果的影響；通過多次對試驗參數(shù)的調(diào)整和試驗測試，驗證參數(shù)調(diào)整的可行性和合理性。

3.2 因地制宜，確定研究手段

本項目通過對湖南農(nóng)村山地、林地等典型田地的農(nóng)藥噴灑作業(yè)試驗獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)。合作企業(yè)在植保無人機技術(shù)的研究和應(yīng)用已有一定基礎(chǔ)，積累了豐富的經(jīng)驗和現(xiàn)場參數(shù)，為植保無人機技術(shù)研究相關(guān)的初始條件和初始參數(shù)的確定提供了依據(jù)。植保無人機技術(shù)已經(jīng)在平原地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，效果良好。

由于湖南省田地分散，諸如山地、林地等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境。本項目采用試驗測試法進行技術(shù)參數(shù)的分析和調(diào)整，提高植保無人機技術(shù)的適應(yīng)能力。團隊主要采取以下手段進行研究：（1）設(shè)計試驗技術(shù)參數(shù)：以企業(yè)原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計多組試驗用技術(shù)參數(shù)，包括噴灑量、噴嘴型號、飛行高度、飛行速度等技術(shù)參數(shù)。（2）檢測試驗結(jié)果。在不同試驗條件下，檢測葉面上的有效沉積量，確定植保效果；檢測植保所用時間，確定植保效率。（3）綜合分析。分析技術(shù)參數(shù)對試驗結(jié)果的影響和總結(jié)研究成果。

4 研究實施

4.1 研究條件

4.1.1 試驗條件

項目負責人所在學(xué)校是湖南省示范性高職院校，其智能制造專業(yè)群為省級一流特色專業(yè)群。其中，無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)建設(shè)有無人機組裝與調(diào)試實訓(xùn)室、無人機行業(yè)應(yīng)用實訓(xùn)室、無人機飛行操控實訓(xùn)室，為本項目理論與實踐研究提供了實驗設(shè)備和研究平臺。

4.1.2 合作企業(yè)

合作企業(yè)為無人機應(yīng)用專業(yè)合作企業(yè)，具備無人機生產(chǎn)、銷售、培訓(xùn)、技術(shù)支撐與服務(wù)、檢測的能力；也為區(qū)域內(nèi)農(nóng)林作物提供病蟲害防治的專業(yè)化服務(wù)，同時運用農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，為本項目提供了農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，為本項目的實踐研究提供了可靠樣本。

4.2 病蟲害分析

4.2.1 水稻病害分析

水稻的重要病害包括稻瘟病和紋枯病等，它會危害水稻的葉片、莖稈和稻穗，使水稻生長受阻，產(chǎn)量減少50%以上，嚴重的話還會導(dǎo)致水稻整株枯死，甚至顆粒無收。

4.2.2 水稻蟲害分析

水稻的主要蟲害有稻飛虱、卷葉螟等。稻飛虱主要危害水稻的葉片和莖稈，使水稻葉子干枯，稻株長不高，嚴重的話還會導(dǎo)致水稻整株枯死。卷葉螟會讓水稻的葉片卷起來，影響光合作用，導(dǎo)致水稻生長受阻，產(chǎn)量下降。

4.3 試驗分組與實施

團隊首先將農(nóng)田按施藥方式分為五組對照（表1）。

5 研究分析與結(jié)論

團隊主要針對稻飛虱和卷葉螟進行調(diào)研和分析，分別在施藥的節(jié)點時間通過目測觀察試驗藥劑對病蟲數(shù)量的影響，從而得出相應(yīng)的防治效果。

5.1 對稻飛虱的防治分析

團隊在不同組的試驗農(nóng)田分別選擇采樣點10處，于施藥前3 d，施藥后3 d、7 d進行采樣。每次采樣選出采樣點2株水稻，通過拍擊稻株的方式，將稻飛虱拍落至事先準備的容器。統(tǒng)計掉落的稻飛虱，再計算蟲數(shù)的減退率，再用1組的蟲口減退率與其他不同對照組進行比較，通過計算校正防效，判斷無人機植保能否取得更好的防治效果[9-10]。

團隊以第1組稻飛虱的防治為案例進行分析發(fā)現(xiàn)，當施藥量為80%時，稻飛虱的防治效果最好，由此可以減少20%的施藥量。但通過查詢資料可知，有團隊在做無人機植保時，可以節(jié)約農(nóng)藥50%，節(jié)約用水量90%。因此，下一個階段還需要進一步減少農(nóng)藥用量進行試驗，以達到最佳的防治效果。

5.2 對卷葉螟的防治分析

團隊在施藥后15 d和20 d，在不同組的試驗農(nóng)田分別選取100株水稻樣本，采用5點取樣法，統(tǒng)計束葉數(shù)，計算卷葉率。再通過統(tǒng)計分蘗數(shù)和綠葉數(shù)，計算保葉效果。

6 研究的創(chuàng)新與特色

本項目具有前瞻性，技術(shù)先進；研究成果具有應(yīng)用性、可推廣性。主要有2個創(chuàng)新點：

第一，針對湖南農(nóng)村農(nóng)藥噴灑作業(yè)效率低、效果差的問題，提出了植保無人機技術(shù)應(yīng)用的策略。采用植保無人機農(nóng)藥噴灑試驗測試的方法，獲取植保無人機技術(shù)參數(shù)和植保成效數(shù)據(jù)；通過對不同情境下多次試驗的數(shù)據(jù)對比，分析植保無人機技術(shù)參數(shù)對植保效率和效果的影響，研究得出的基于植保無人機技術(shù)參數(shù)選擇的數(shù)字模型，該數(shù)字模型對湖南農(nóng)村田地的適應(yīng)性強、穩(wěn)定性好、誤差小等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

第二，針對湖南農(nóng)村植保無人機操控難、成本高的難題，提出了一些植保無人機操作規(guī)范的策略。通過對不同情境下多次試驗的數(shù)據(jù)對比分析，不斷優(yōu)化參數(shù)，總結(jié)植保無人機操作規(guī)范；采用操作植保無人機規(guī)范，能提高了工作效率，降低操作成本，縮短植保項目周期，有很強的實用價值。

7 結(jié)束語

隨著無人機靜電噴霧技術(shù)和無人機控制技術(shù)的更新完善，推動了植保無人機技術(shù)向高精度、智能化方向發(fā)展，但這些研究在植保無人機領(lǐng)域尚未形成完整體系，仍存在大量需要突破的空間。首先，在無人機作業(yè)方案中，飛行高度、飛行速度對農(nóng)藥噴施的作業(yè)實際效果影響較大，靜電噴霧技術(shù)的應(yīng)用干擾因素多且復(fù)雜，因此，需要通過實踐研究獲取最佳的飛行高度、飛行速度和靜電噴霧方案；其次，市場上的植保無人機都是半自動類型的，中途返航換農(nóng)藥需要手動重新設(shè)置航線，而且，植保無人機一般只能適應(yīng)簡單的環(huán)境，一些山林和樹林的地方很難作業(yè)，因此，在現(xiàn)有作業(yè)條件下和現(xiàn)有的無人機控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，完善無人機操控技術(shù)是另外一項課題。

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基金項目：2022年湖南省教育廳科學(xué)研究項目“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略下植保無人機技術(shù)在湖南農(nóng)村的實踐研究”（22C1263）。

作者簡介：蔣小波（1977—），男，湖南新邵人，副教授，研究方向為無人機應(yīng)用技術(shù)。