農用無人機施藥技術應用研究現狀

摘要：無人機施藥作為一種新型施藥技術，與傳統施藥相比作業效率高、環保、時效性強、成本低，且不會對作物和土壤造成物理損害，已廣泛應用于大田作物。綜述國內外農用無人機發展現狀及其快速發展的原因，闡述農用無人機在玉米、水稻、小麥、棉花上的應用。分析農用無人機施藥技術面臨的主要問題：質量參差不齊，相關政策法規不健全；飛防專用藥劑選擇無標準、安全風險大；電池容量較小，電池續航能力弱；售后服務體系不完善、專業飛手培訓局限等。展望農用無人機施藥作業實時監測、一機多能或多機合作、生物防治、噴藥方式革新等未來發展方向，以期為農用無人機施藥技術的發展提供借鑒與參考。

關鍵詞：無人機；施藥技術；農藝措施；玉米；水稻；小麥

中圖分類號：S252" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0054?08

Current status of research on the application of agricultural UAV

application technology

Bai Zhikun Chen Bing Gao Shan Liu Taijie Chen Zijie

（1. Cotton Research Institute， Xinjiang Academy Agricultural Reclamation Sciences， Shihezi， 832003， China;

2. College of Agronomy， Tarim University， Alar， 843300， China）

Abstract： As a new type of pesticide application technology， UAV application" has been widely used in field crops because of its high operational efficiency， environmental protection， timeliness， low cost， and no physical damage to crops and soil compared with the traditional application. This paper summarizes the current situation of the development of agricultural UAV at home and abroad and puts forward the reasons for its rapid development， and describes the application of agricultural UAV on corn， rice， wheat， and cotton， and analyzes the main problems faced by agricultural drone application technology as follows： uneven quality， relevant policies， and regulations are not sound， the selection of special agents for fly?anti?drug control is not standardized， the safety risk is large， the battery range is weak， the after?sales service system is imperfect， and the training of flyers is limited， et al， and puts forward a proposal to address the above problems. In addition， it also looks forward to the future development direction of real?time monitoring of UAV application operation， multi?functional or multi?machine cooperation， biological control， spraying method innovation， et al， to provide a reference for the development of agricultural UAV application technology.

Keywords： UAV; application technology; agronomical measures; maize; rice; wheat

0 引言

我國是農業大國，農業是國家根本，是國家強盛的重要保障[1]。隨著全球氣候變化，以及作物品種、種植面積的不斷擴大，病蟲發生的面積和類別呈重發態勢[2]，病情嚴重時甚至“顆粒無收”，制約我國糧食安全發展[3]。2023年主要糧食作物病蟲害達2.03×108 hm2次，較2022年增幅24.1%[4]，威脅作物的產量和品質，對國民經濟持續穩定發展構成嚴重隱患、作物安全生產帶來重大風險。因此，實現作物增產提質，把控作物生長調控及病蟲防治是關鍵。作物生長由水肥、藥劑協同調控，而病蟲害防治手段主要包括物理、化學、生物控制等，其中以化學防治較為常見，可挽回45%以上的全球糧食損失[5]。然而，我國大部分地區在作物生產中，仍以人工、機械噴霧機（背負式、手動式、電動式）噴灑化學藥劑來作用于作物的生長發育及病蟲防治，然而該方法在作業過程中噴灑出的藥劑并非完全被作物吸收，只有20%～30%藥劑作用于病蟲防治，剩余未吸收的藥劑一部分殘留在土壤、作物表面，易對作物和土壤造成破壞，一部分漂浮在空氣中一段時間，存在中毒隱患，加之該方法耗時費力、費水、時效差、農藥利用率偏低[6， 7]，且防治過程易受藥械、人力、物力、財力等條件限制，短期內難以達到預期防治效果，尤其在丘陵山區交通不便、人煙稀少或內澇嚴重的地區，地面機械難以進入作業。由此可見，如何高效、快速、準確的做好農作物生長及病蟲害防治工作，最大程度的降低病蟲害對作物造成的損失，是目前作物生產領域急需解決的重大問題。“工欲善其事，必先利其器”，傳統的人工、地面機械施藥技術已無法滿足現代“綠色農業生產”發展。為提高作業效率以及更為環境友好型地對作物生長及病蟲害防治，現代無人機施藥技術應時而生，可很好地解決這一難題，值得開發。此外，無人機施藥作為一種新型施藥手段，較傳統施藥相比還具有節水、節藥、省時、省力、高效率等優點，發展迅速[8]。自2010年至今，隨著無人機技術的快速發展，其潛在的應用價值逐也漸開發出來，廣泛應用于農業領域。無人機施藥技術已貫通于作物生長發育全過程，是統籌協調作物生長及病蟲防治的有效手段，在農業領域的應用可視為一場“綠色革命”，極大地解放了勞動力，提高了農業現代化水平，促進了現代農業發展[9]。

本文綜述無人機施藥技術快速發展的原因，列舉無人機施藥技術在農業中的應用，闡明無人機施藥技術發展前景，分析無人機施藥技術存在的問題，展望未來無人機發展的關鍵方向，以期為從事無人機施藥行業相關工作人員提供理論依據和技術支撐。

1 農用無人機施藥技術快速發展的原因

1.1 農用無人機施藥優點較多

無人機施藥可及時防治作物病蟲害，提高防治效率，在農業生產中顯示出諸多優勢。表1為不同施藥方式優劣勢對比。由表1可知，農業施藥方式主要可分為人工施藥、機車施藥、無人機施藥。資料顯示，農業上每年因噴灑農藥使中毒人數達10萬人，致死人數超20 000人。傳統的人工、機車施藥用水、用藥量大，污染環境，對作物、農田造成一定物理損傷。人工施藥針對小面積農田方便，快捷，但噴施藥液均勻度較差，不能及時作用于靶標。機車施藥適合大面積平坦廣闊農田，對于高原、丘陵地區無法作業。無人機施藥安全性高，作業過程中可有效避免人、藥長時間接觸，減少人身危害，不會對土壤產生物理損傷，且噴施系統穿透性強，藥劑可均勻分布于作物葉片表面及中下部，不受地理環境條件限制，可隨時作業，高效、實時、環保，可節約30%藥劑、40倍水量[10?13]。

綜上，傳統的人工施藥已無法滿足當前輕簡化、智能化的農業發展需求。隨著無人機施藥技術、大數據、信息技術的快速發展，如3S、遙感、育種技術等，越來越多的新技能、新技術被開發出來與無人機相結合，促進了農業發展的大步跨越。隨之人工施藥技術的弊端暴露無遺，研發當代先進的無人機施藥技術勢在必行[14， 15]。

1.2 國家政策扶持

研究表明，10年間，在國家政策大力支持下我國農用無人機航空作業面積及數量如雨后春筍般發展迅速[16]。資料顯示，2016年之前，全國已有200多家無人機生產企業，使用的無人機種類共178種，可裝載最大量20 L藥劑，噴幅范圍5～20 m，在小麥、玉米、水稻、棉花等作物上的應用已成常態化，可在不同情況下精準施藥，作業效率將近6 hm2/h，可實時、準確、高效率防治病蟲草害[17]。早在1950年中國已開始進行農業航空領域研究，多數機型為固定翼，如：“Y-Ⅱ”“海燕650B”，在農業航空領域扮演有重要角色[18]。1990年，科研人員專門研制出新型農藥噴灑無人機—“海燕”，可對多數大田作物（小麥、水稻、棉花）進行飛防作業，化學防治病蟲、田間除草、森林防護、化肥噴施、作物化控等[19]。2011年，無人機在農林管控方面工作時長超3×104 h，主要作業省份為東北三省、新疆等地。至今，在國家科技部、農業部、863計劃的支持下，全國超95%以上的航空技術用于農業植保，5%用于農田病情信息提取、監測、育種等[20， 21]。目前，世界范圍內，我國已成為無人機作業面積最大的國家。2019年，我國無人機在農林預防、施肥方面作業面積超3×107 hm2，2020年作業面積超6.6×107 hm2，并且每年快速增長[22]。圖1為2014—2021年中國農用無人機數量。由圖1可知，自2018年以來，我國農用無人機數量每年翻倍增長，按照這種發展趨勢，我國必將成為世界上擁有農用無人機最多的國家。

2 農用無人機施藥技術在農業中的應用現狀

無人機在農業上用途廣泛，可用于精準施藥、肥，作物病蟲草害、生理信息提取，森林防火等[23]。無人機施藥技術不在受時間、作業地理環境條件等因素制約，且不會對作物、土壤造成物理損傷，無論白晝、丘陵、高山以及危險難度系數大，易對人工造成傷害的工作都不能遏制無人機的作業步伐，所有問題都能解決[24]。在精準施藥、施肥方面，無人機依靠實時監測系統，制定出精準施量、飛行參數、飛行航線規劃，節水、節藥、精準作用于靶標，同時也減少環境污染。對于農林病蟲觀察方面，無人機結合先進的傳感器對病情進行分類、分級，再結合計算機處理技術，得到最佳防治方案。對于森林火情預防，無人機具有全天候、遠距離的探測、夜視能力，不受雨霧、白晝自然環境制約，可正常工作。

2.1 農用無人機施藥技術在玉米中的應用現狀

玉米是世界上最常見的作物，其經濟、使用價值極高，單產、總產居全球谷類作物首位。我國玉米主產區主要分布在東北、黃淮沿岸以及西南地區[25]。伴隨氣候變化及玉米種植密度高、通風同光條件差、種植戶缺乏病蟲種類識別能力、用藥不準等因素，玉米病蟲害呈高發趨勢。基于此無人機施藥技術得到迅速發展，對病蟲進行實時、準確的防治，發展前景廣闊。范明洪等[26]為探討除草劑對玉米田間雜草的防治效果，采用無人機低容量噴霧技術，調整噴藥量及霧滴粒徑，研究其除草劑對靶標雜草的影響，發現同一施藥量下，霧低粒徑增加，雜草防治較好。楊帥等[27]利用無人機施藥技術比較了不同施藥劑量、飛行高度、霧滴抑制劑對玉米螟防治效果研究，發現無人機飛行高度為2 m以內時，增加飛行高度對噴幅基本無影響，最佳防治效果為施藥量600 mL/hm2，高度1 m，此條件下防治效果超79.63%。Santana等[28]利用無人機施藥+遙感技術，對玉米的營養缺乏癥狀進行監測，發現追肥能影響玉米基因型的農藝性狀。干旱脅迫下，通過無人機多光譜遙感可精準監測玉米冠層葉綠素含量變化，預知旱災，精準施藥[29]。高圓圓等[30]開展無人機噴施農藥對玉米螟防治研究，結果表明，無人機飛行高度在2.5 m時，對玉米病蟲防治效果較優。綜上無人機低空施藥技術，極大地解決了施藥難、施藥準確度低的問題，降低了病蟲發生頻率，為玉米的“兩高一優”提供保障。

2.2 農用無人機施藥技術在水稻中的應用現狀

水稻是我國第二大糧食作物，播種量47 340 khm2，年消費量超2×108 t，其產值直接關系到我國糧食的安全發展[31]。受環境、栽培條件影響，水稻病蟲害頻發。水稻在播種、采收上已基本實現全過程機械化，而在水稻的病蟲防治方面，其機械化仍相對滯后，主要表現為：地面大型機械難以進入水田，水稻種植密度大，無法精準防治水稻底部，導致防治時效差、防治率低，造成資源浪費[32]。無人機施藥作業高效、節藥、精準，廣泛用于水稻防治。張強等[33]通過篩選植保無人機飛行參數，確定飛行高度1.5 m，飛行速度5.0 m/s，可有效防治水稻二化螟，達75%以上。張亞莉等[34]研究植保無人機減施藥量是否會影響稻飛虱防治效果，結果表明，水稻上層藥液量顯著高于下層，7天后病蟲數量減退，但相同施藥下，采用減施手段防治稻飛虱效果較差，80%藥液量可基本滿足農戶防治稻飛虱需求。Wan等[35]使用無人機多光譜圖像、RGB、模型轉移，對我國南方的水稻產量進行了精準預測，提出歸一化差異黃度指數可以代表葉片葉綠素含量來監測水稻的生長，水稻抽穗初期是糧食產量預測的最佳生長期，試驗所建模型提高了糧食產量預測的準確性。Liu等[36]提出了一種利用無人機圖像監測水稻倒伏的方法，將RGB圖像與熱紅外圖像相結合，監測倒伏水稻，該方法既可用于秈稻，也可用于粳米。邵國民等[37]通過研究不同施藥機械和不同藥劑對水稻田間雜草防治效果，研究發現藥械種類對雜草防治基本無影響，但基于無人機高效、方便、省時，推薦使用無人機進行雜草防治。劉迎等[38]提出植保無人機作業過程中人為添加飛防助劑，藥劑作業范圍達94.2%，霧滴覆蓋率提高2.9%，可顯著提高藥效，防治水稻病害。

2.3 農用無人機施藥技術在小麥中的應用現狀

資料顯示，我國小麥產、耗費量占糧食總產達25%，伴隨人口增長、消費水平提高，小麥消耗量將近一步提高。多年來，小麥在品種選擇、生產方面發展迅速，但隨著小麥種植區域、密度增大，病蟲種類繁多，人工老力短缺，使得小麥在病蟲控制上不理想，嚴重影響了小麥的產量和質量[39]。同玉米、水稻相似，無人機可通過遙感實時、準確獲得小麥倒伏面積，通過分割模型評估小麥產量損失面積[40]。孫濤等[41]提出植保無人機飛行速度（4 m/s、3 m/s），作業高度（2 m、1.5 m），施藥量2 L/min飛防參數較好，在小麥齊穗期，對小麥蚜防治率達92.37%以上。Su等[42]采用多光譜相機，評估了小麥黃銹病的嚴重程度，為未來早期農田黃銹病監測提供了重要指導。蒙艷華等[43]對植保無人機進行參數優化，篩選出飛行高度1 m、速度3 m/s、施藥量1.7 L/min，防治小麥蚜蟲效果最好，防效率超82.62%，工作效率超22.16 hm2/d，可替代人工施藥。朱德慧[44]開展無人機化學除草研究，結果表明，無人機藥械除草效果顯著高于人工，確保了小麥的安全生長。陳銀鳳等[45]利用植保無人機對小麥“三大病害”進行防治研究，發現無人機的噴藥設備能提高作業效率，高于人工。綜上無人機施藥技術在小麥病蟲防治上優勢較大，加之“一噴三防”技術的實施，無人機對小麥進行大面積作業時僅需2 min，工作效率極高，確保小麥穩產、高產。

2.4 農用無人機施藥技術在棉花中的應用現狀

棉花是天然纖維作物，在世界棉花生產國的經濟中扮演有重要角色[46]。我國棉花已基本實現種植全過程機械化，然而，在實際棉花生產中，仍面臨諸多問題。例如，棉田施藥主要依靠大型機械作業，其病蟲防治時效差、準確度低，易對棉株、棉田造成機械損傷。而無人機施藥高效、實時、準確、省工，為棉花全程機械化提供新思路[47]。胡紅巖等[48]提出植保無人機在飛行高度1.5 m下噴施納米農藥，藥劑霧滴粒徑小，蚜蟲防治效果顯著高于常規施藥，但藥劑利用率低于常規施藥。王林等[49]開展不同類型植保無人機噴施棉花脫葉劑效果研究，結果表明，無人機兩次施藥棉花吐絮、脫葉率顯著高于人工施藥。Xu等[50]基于無人機多光譜遙感成像，構建棉花產量預測模型，從高分辨率RGB圖像中提取棉鈴，進一步挖掘數據信息，可以精準獲取作物信息，為棉花育種提供新思路。作物出苗是早期田間管理的一個重要農藝因素，可以使用作物種群、數量、均勻度和幼苗大小進行評估，Feng等[51]基于無人機圖像+深度學習技術開發一種高效的圖像數據處理和分析框架及時評估棉花出苗，提高了效率和準確性。張坤明等[52]開展植保無人機噴施不同化學脫葉劑效果研究，發現在不同藥劑處理下，棉花冠層霧滴密度差異顯著，隨施藥時間推移，棉花脫葉、催熟效果顯著。王愛玉等[53]基于不同施藥機械，開展不同藥械噴施棉花脫葉劑試驗，結果表明不同處理對棉花產量、品質無明顯差異變化，無人機噴藥處理作業效果優于人工噴藥處理。以上研究表明，植保無人機在棉花上應用廣泛，前景廣闊。

3 存在問題

近10年，在國家政策及科研工作者的共同努力下，中國農用無人機航空施藥技術及配套設備從無到有，發展速度呈翻倍增長趨勢。同時農用無人機的極速發展也是一把“雙刃劍”，在作物病蟲害防治、施肥、監測中實時、高效、節水、節藥、省本等優點日益凸顯，而在實際作業中還存在一些問題，需進一步探討。

3.1 無人機質量參差不齊，相關政策法規不健全

現階段，國家對農用無人機生產沒有統一國家標準規范，部分無人機制造粗糙，更有甚者為“三無”產品，實際與理論作業參數偏差較大，存在失控、炸機、泄藥、漏噴、不上藥現象，導致航空施藥藥滴均勻度不夠，穿透力弱，無法精準作用于靶標，影響作物蟲害防治率[11， 54]。目前，國家應分類、分級制定準則，按照農用無人機載荷量、飛行高度進行分類，大、中、小型。鑒于此，全國各地陸續出臺新準則。重慶于2016年出臺DB50T638—2015《農用航空電動旋翼植保無人機》準則；江西2017年推行《江西省農業植保無人機地方標準》；2018年實施國字號《植保無人飛機質量評價技術規范》；2020年浙江制定《多旋翼電動農業無人機地方標準》。由此可知中國應繼續完善農用無人機農業產業系統和政策標準化、市場組織標準化，加強市場監督，保護農民基本利益，讓無人機更好服務于農業。

3.2 飛防專用藥劑選擇無標準，安全風險大

農用無人機低空施藥，采用高濃度施藥方式，較傳統藥械施藥安全風險高。而農用無人機專用飛防藥劑低毒、霧滴均勻度高、作用效果好、農藥利用率高、對機體危害小。我國專用農用無人機飛防藥劑研發、注冊體系較為滯后，應加大研發投入力度，汲取國外經驗，建立中國化飛防專用藥劑準則。目前農用無人機飛防作業中大多憑經驗選擇藥劑，多為常規藥劑，對于藥劑成分、藥效、劑量、適用范圍等較欠缺，限制專用藥劑推廣[55]。而且飛手在實際作業中要考慮藥劑自身特性，如沉積、濕潤、蒸發，根據藥劑環境毒性選擇低毒專用藥劑。如在稻田、水田以及養殖產業附近作業，應注意化學藥劑對水生生物產生毒害，選擇對環境、生物無風險藥劑。

3.3 電池容量較小，續航能力弱

我國無人機電池研發技術相對滯后，限制了電池容量發展。目前農用無人機所裝載的電池容量為5 000～32 000 mAh，續航時間在10～20 min之間[56]。對于大面積農田，飛手需提前做好更換電池準備并攜帶充電器，且更換電池過程將導致作業效率、安全性下降。當前，國家應加大無人機電池技術深層次研究，培養專業技術人才，開發新型電池，如太陽能電池、石墨烯電池。

3.4 售后服務體系不完善，專業飛手培訓局限

無人機作為新型施藥機械，優點眾多。在實際農業應用中的主要瓶頸問題表現在售后服務體系不完善、飛手水平參差不齊，加之相關配套產業鏈分布不均，推行力度小，農戶認識度差。農戶在使用無人機飛防作業遇到失控、炸機問題時，不能得到實時維修，需要企業做好完善的售后服務體系，滿足農戶需求。此外，飛手操作不當也是頻發故障的主導因素之一。當前，飛手培訓無特定機構，大多由公司自主培訓，缺乏相關科學相關理論教學體系及章程，相關培訓魚龍混雜，飛手質量難以保障。

4 展望

隨著中國農業現代機械化突飛猛進、農業生產方式快速變化，農村地區人工老力短缺及勞力成本急劇上升，農業防治工作需求快速增長，對適用范圍廣、高效、省時、節水、節藥、環保的新型農業機械需求日益增長。無人機航空施藥將成為國家糧食安全發展的重要方向和重要舉措，是中國現代農業戰略性新興產業。受這種高需求的影響，農業航空在作物保護領域前景廣闊。

4.1 施藥作業實時監測技術

實時監測技術是無人機施藥作業全系統極為重要的組成部分，該技術可將無人機作業過程中的飛行、施藥參數、作業地塊環境信息實時反饋給低空變量施藥及航線規劃系統，從而構建合理的農藥噴施評價系統性模型。加之結合新一代人工智能、大數據、5G信息技術，可不斷推動該技術進步。同時，該監測技術可實時、準確地共享作業過程中的飛行參數、施藥濃度、施藥劑量、航行規劃路線等信息，及時量化作業參數，將飛行、施藥參數、變量施藥及航線規劃系統、農藥噴施評價系統性模型進行全面融合，按照實際情況做出適當調整，實現無人機精準施藥技術進一步的總體優化，應用前景廣闊。

4.2 一機多能或多機合作技術

無人機遙感可遠程快速、準確監測作物長勢和病蟲害頻發程度。與傳統的人工田間監測相比，無人機遙感監測技術對于作物信息的獲取速度極快、在空間上覆蓋率相對較廣、而且具有低成本等系列性優點，目前該技術已然成為作物監測的重要研究方向和必然發展趨勢。農用無人機施藥前，可先行通過同一或其他無人機進行遙感采集作業地塊光譜信息，獲取目標地塊作物生長狀況信息圖，而后根據監測圖實施精準定位施藥。此技術可根據實際情況按需給藥，避免漏噴、重噴，提高藥劑利用率，減少環境污染，節約成本。隨著精準農業的快速發展，未來農用無人機施藥技術將由單一作業模式向多元化作業模式轉變，一機多能或多機合作技術將成為未來農業發展新趨勢。

4.3 生物防治技術

生物防治技術是利用現有的有益微生物或其他微生物（寄生或捕食天敵）來抵抗或消滅有害生物。目前，生物防治主要依靠人工進行投放，效率低下。而無人機靈活，時效性強，可適應各種復雜環境，為生物防治提供了新選擇。如利用無人機投放赤眼蜂科，來防治玉米、水稻、蔬果等病蟲害。在未來可適當開發新型無人機施藥生物防治技術，來防治更多的大田作物、林木、蔬果等，應用前景廣闊。

4.4 噴藥方式革新技術

目前農用無人機施藥過程中，霧滴分布參數可控性較差，只能憑借飛手經驗來調控噴施方式。所以未來應在原有噴藥方式設計的基礎上，著眼于對外界環境（風速、風向）和噴霧設備進行耦合分析，構建霧滴分布模型，并進行實地現場模擬，提高無人機施藥過程中藥液在靶標作物上的漂移量，優化施藥質量，這也是未來的研究趨勢。

5 結語

隨著中國農業現代化的快速發展，通過不斷完善相關制度建設、增加資金注入、科研力量聯合攻關，無人機施藥技術必然成為我國未來農業發展的亮點、熱點，該技術也必將應用廣泛，其作業面積、作業效率、續航時長、專用藥劑研發必將大幅提高，加快促進我國農業現代化發展新歷程。

參 考 文 獻

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