植保無人機(jī)在水稻病蟲害防治中規(guī)模化應(yīng)用的系統(tǒng)分析

當(dāng)前，我國水稻生產(chǎn)正處于從追求單一高產(chǎn)向提質(zhì)增效、綠色生態(tài)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期。傳統(tǒng)的水稻病蟲害防治方式效率低、成本高、污染重，亟須創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。2022年中央一號文件提出“推廣農(nóng)作物病蟲害專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治和綠色防控”，為植保無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用指明了方向。近年來，植保無人機(jī)憑借其靈活、高效、環(huán)保等優(yōu)勢，在智慧農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代植保領(lǐng)域嶄露頭角，尤其在水稻等糧食作物病蟲害防控中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，如何進(jìn)一步發(fā)揮植保無人機(jī)的優(yōu)勢，突破制約其推廣應(yīng)用的瓶頸，還需要科學(xué)系統(tǒng)地分析研究。

一、植保無人機(jī)防治水稻病蟲害的技術(shù)原理

1、無人機(jī)的飛行控制與作業(yè)規(guī)劃技術(shù)

植保無人機(jī)采用先進(jìn)的飛控系統(tǒng)和高精度傳感器，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)對飛行姿態(tài)和位置的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。在任務(wù)規(guī)劃階段，無人機(jī)根據(jù)水稻田地理信息、作物長勢、病蟲害分布等數(shù)據(jù)，結(jié)合農(nóng)藝要求和作業(yè)參數(shù)，自主生成優(yōu)化的作業(yè)航線。通過轉(zhuǎn)彎半徑動(dòng)態(tài)調(diào)整、S型航線避障、航跡重疊控制等智能算法，有效提高了植保作業(yè)的針對性和覆蓋率。同時(shí)，飛控系統(tǒng)還能根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向、GPS信號強(qiáng)度等實(shí)時(shí)調(diào)整飛行參數(shù)，確保噴灑效果的均勻性和穩(wěn)定性。高度監(jiān)測和地形跟隨技術(shù)則可使無人機(jī)維持與作物冠層的最佳相對高度，在確保飛行安全的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴灑。

2、藥劑噴灑系統(tǒng)與變量施藥技術(shù)

植保無人機(jī)搭載先進(jìn)的模塊化噴灑系統(tǒng)，集成藥箱、泵、噴頭、霧化裝置等核心部件。采用多通道獨(dú)立可控技術(shù)，通過電磁閥和高精度流量計(jì)精確控制各噴頭的流量和霧滴粒徑。搭配差速霧化和機(jī)電聯(lián)動(dòng)技術(shù)，可根據(jù)飛行速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)出液量，確保藥劑沉積分布的均勻性。而基于作物健康大數(shù)據(jù)的變量施藥系統(tǒng)則是植保無人機(jī)的一大創(chuàng)新，該系統(tǒng)建立了關(guān)聯(lián)水稻長勢、病蟲測報(bào)、農(nóng)藝要求的決策模型，可對不同區(qū)域、不同程度的病蟲發(fā)生進(jìn)行差異化處理。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整噴灑參數(shù)、選擇性關(guān)閉部分噴頭，在減少農(nóng)藥使用量的同時(shí)，最大限度提高防治效率和精準(zhǔn)性，助力水稻病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治和綠色防控。

3、障礙物識別與避障技術(shù)

復(fù)雜的水稻田環(huán)境對植保無人機(jī)的安全飛行提出了更高要求。先進(jìn)的機(jī)載感知系統(tǒng)融合了可見光、紅外、激光雷達(dá)等多源傳感器，可全天候、全方位探測高壓線、農(nóng)田設(shè)施等潛在障礙。圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)能夠快速識別障礙物的類型、尺寸、距離，評估碰撞風(fēng)險(xiǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，無人機(jī)可通過軌跡重新規(guī)劃、動(dòng)態(tài)調(diào)高、緊急懸停等策略自主規(guī)避。同時(shí)，復(fù)雜環(huán)境下的定位和導(dǎo)航技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，通過高精度GNSS系統(tǒng)、多傳感器融合定位、同步定位與地圖構(gòu)建等手段，實(shí)現(xiàn)了植保無人機(jī)的厘米級定位和自主環(huán)境感知。結(jié)合三維障礙地圖和無人機(jī)姿態(tài)估計(jì)，可構(gòu)建實(shí)時(shí)虛擬場景，為安全高效作業(yè)提供直觀參考。

二、植保無人機(jī)防治水稻病蟲害的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、國內(nèi)外植保無人機(jī)防治水稻病蟲害的應(yīng)用概況

植保無人機(jī)以其高效、精準(zhǔn)、環(huán)保等優(yōu)勢，在水稻病蟲害防治中得到快速推廣應(yīng)用。國外發(fā)達(dá)國家較早開展植保無人機(jī)技術(shù)研發(fā)，在關(guān)鍵部件、作業(yè)系統(tǒng)等方面取得系列創(chuàng)新成果。我國植保無人機(jī)研究起步較晚，但發(fā)展迅速，在變量施藥、障礙規(guī)避、農(nóng)機(jī)協(xié)同等方面實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破。水稻主產(chǎn)區(qū)積極開展應(yīng)用示范，集成運(yùn)用航空遙感、智能診斷、精準(zhǔn)施藥等手段，初步構(gòu)建了“測報(bào)—防控—評估”一體化防控體系，為植保無人機(jī)規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2、植保無人機(jī)在不同水稻種植區(qū)域的推廣情況

我國水稻種植區(qū)域廣布，不同區(qū)域自然條件、種植制度差異顯著，植保無人機(jī)推廣呈現(xiàn)階梯化特征。東北、華北等平原地區(qū)地塊連片、地勢平坦，有利于標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，推廣面積增長較快。長江中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，農(nóng)戶接受度高，植保無人機(jī)的智能化功能備受青睞。西南、華南山區(qū)復(fù)雜地形對續(xù)航能力、環(huán)境適應(yīng)性要求更高，新型農(nóng)機(jī)服務(wù)組織成為帶動(dòng)植保無人機(jī)應(yīng)用的主力軍。總體而言，植保無人機(jī)正由點(diǎn)狀示范向區(qū)域化推進(jìn)、規(guī)模化應(yīng)用加速躍升。

3、植保無人機(jī)防治水稻主要病蟲害的實(shí)際效果評價(jià)

通過在水稻主要病蟲害高發(fā)區(qū)開展大量試驗(yàn)示范，植保無人機(jī)防治水稻紋枯病、稻瘟病的藥械畝控制效果較人工防治提高10%以上；對稻飛虱、稻縱卷葉螟的防治效果提升15%-20%。得益于高精度變量施藥技術(shù)，植保無人機(jī)可大幅降低農(nóng)藥用量和勞動(dòng)力投入，畝均防治成本節(jié)省30%以上。同時(shí)，植保無人機(jī)作業(yè)效率是人工防治的10倍以上，大幅提高水稻生產(chǎn)“減藥增效”水平。總體而言，植保無人機(jī)為水稻病蟲害綠色防控提供了新型解決方案。

4、植保無人機(jī)應(yīng)用中存在的問題與不足

植保無人機(jī)在推廣應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：自主智能水平有待提升，復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力偏弱；高溫、大風(fēng)等極端天氣易導(dǎo)致霧滴飄移、蒸發(fā)，影響沉積率；購置成本高，專業(yè)化服務(wù)組織覆蓋不足；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范滯后，市場化服務(wù)良莠不齊；低空管理、農(nóng)藥施用監(jiān)管等法律法規(guī)不明確。未來亟需多方協(xié)同發(fā)力，加快核心技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、示范推廣引導(dǎo)，健全配套政策，強(qiáng)化行業(yè)監(jiān)管，推動(dòng)植保無人機(jī)在水稻病蟲害防控中發(fā)揮更大作用。

三、植保無人機(jī)與傳統(tǒng)水稻病蟲害防治方式的比較

1、防治效率與效果的對比分析

植保無人機(jī)以其高效率、高精度、高技術(shù)等特點(diǎn)，在水稻病蟲害防治領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越優(yōu)勢。研究表明，植保無人機(jī)對水稻紋枯病的防治效果高達(dá)86.20%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)人工噴霧防治水平。這得益于植保無人機(jī)獨(dú)特的飛行控制和藥液噴灑系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對病蟲害精準(zhǔn)打擊，有效提高農(nóng)藥利用率。此外，植保無人機(jī)可根據(jù)作物長勢、病蟲發(fā)生程度開展變量噴施，在遏制病蟲危害的同時(shí)減少農(nóng)藥使用量。不同于人工作業(yè)效果易受天氣、地形等因素干擾，植保無人機(jī)憑借智能作業(yè)系統(tǒng)可確保噴灑均勻度，為水稻病蟲害高效防治開辟新途徑。

2、勞動(dòng)力與成本投入的對比分析

植保無人機(jī)正在顛覆傳統(tǒng)水稻病蟲害防治格局。常規(guī)人工防治需要大量勞動(dòng)力投入，作業(yè)效率低下，已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。引入植保無人機(jī)可從根本上破解“防治難”問題。單架無人機(jī)的日作業(yè)量可超過20公頃，是人工效率的數(shù)十倍；以百畝稻田為例，全程防治僅需數(shù)小時(shí)，而非數(shù)十個(gè)工日。同時(shí)，依托定量噴灑技術(shù)，植保無人機(jī)可節(jié)省30%左右農(nóng)藥使用量，大幅降低防治成本。盡管前期投入較高，但綜合考慮其多方面優(yōu)勢，植保無人機(jī)的單位面積防治成本依然低于人工20-50元。

3、對水稻田生態(tài)環(huán)境影響的對比分析

在傳統(tǒng)水稻病蟲害防治中，過度依賴化學(xué)農(nóng)藥帶來的環(huán)境污染問題日益凸顯。作為一種創(chuàng)新性解決方案，植保無人機(jī)正在重塑稻田生態(tài)保護(hù)理念。首先，相較于常規(guī)防治，植保無人機(jī)對施用農(nóng)藥有著更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，傾向于選用高效、低毒、低殘留的藥劑，最大限度降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。其次，得益于精準(zhǔn)變量施藥技術(shù)，植保無人機(jī)可“因病施藥”，減少藥劑過量使用和漂移損失。據(jù)研究顯示，植保無人機(jī)防治后農(nóng)藥殘留量較人工降低50%以上。此外，植保無人機(jī)采用超低容量噴霧，有利于提高農(nóng)藥在靶標(biāo)上的附著量，在降低使用劑量的同時(shí)提升防治效果，更加有利于維系農(nóng)田生態(tài)平衡。

四、提高植保無人機(jī)防治水稻病蟲害效果的關(guān)鍵技術(shù)

1、大田環(huán)境下水稻病蟲害的精準(zhǔn)監(jiān)測與識別技術(shù)

植保無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)對水稻病蟲害的精準(zhǔn)防控，首先需建立田間的實(shí)時(shí)監(jiān)測與智能識別體系。近年來，基于多源遙感數(shù)據(jù)的水稻病蟲害監(jiān)測技術(shù)取得重要進(jìn)展。研究人員利用無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)，獲取不同生長時(shí)期水稻冠層的高光譜影像，構(gòu)建光譜指數(shù)與病蟲害嚴(yán)重度的定量關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對稻瘟病、紋枯病等重大病害的早期診斷和面積測量。同時(shí)，深度學(xué)習(xí)方法在復(fù)雜場景下水稻病蟲害智能識別中得到廣泛應(yīng)用。通過海量圖像數(shù)據(jù)訓(xùn)練，構(gòu)建的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可從無人機(jī)采集的高清彩色照片中快速、準(zhǔn)確地識別出稻飛虱、二化螟等主要害蟲，為開展“精準(zhǔn)測報(bào)、對癥防控”提供關(guān)鍵支撐。

2、基于水稻長勢與病蟲害發(fā)生程度的變量施藥決策技術(shù)

傳統(tǒng)植保無人機(jī)往往采取“均質(zhì)化”的施藥策略，忽視了田塊內(nèi)部作物長勢和病蟲發(fā)生程度的空間差異，導(dǎo)致局部用藥過量或不足。針對這一難題，農(nóng)業(yè)工程師開發(fā)了一套變量施藥決策系統(tǒng)，可根據(jù)作物“健康狀況”動(dòng)態(tài)調(diào)整施藥處方。該系統(tǒng)綜合分析多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括遙感反映的植被指數(shù)、田間傳感器測定的小氣候參數(shù)、常規(guī)統(tǒng)計(jì)的病蟲發(fā)生程度等，構(gòu)建多因素智能分析模型，對每個(gè)網(wǎng)格單元的施藥時(shí)間、用藥種類和劑量進(jìn)行優(yōu)化決策，形成處方圖指導(dǎo)無人機(jī)作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，將變量施藥貫穿水稻生長全周期，構(gòu)建覆蓋農(nóng)事管理、資源調(diào)配、災(zāi)害預(yù)警等環(huán)節(jié)的智能決策體系，可實(shí)現(xiàn)藥劑利用率和防治效果雙提升。

3、復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)的自主飛行與精準(zhǔn)作業(yè)控制技術(shù)

水稻種植區(qū)地形地貌復(fù)雜，稻田空間結(jié)構(gòu)多樣，高壓線、水利設(shè)施等障礙物密布，對無人機(jī)的安全飛行和精準(zhǔn)作業(yè)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，亟須發(fā)展復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)自主控制技術(shù)。一方面，要進(jìn)一步增強(qiáng)傳感器的環(huán)境適應(yīng)性和信息獲取能力，在無人機(jī)上搭載毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等先進(jìn)設(shè)備，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)對飛行環(huán)境的全方位感知。另一方面，需要突破無人機(jī)自主導(dǎo)航與避障的核心算法，優(yōu)化路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤模型，使無人機(jī)具備實(shí)時(shí)分析環(huán)境、動(dòng)態(tài)調(diào)整航線的能力。同時(shí)，發(fā)展面向作物的自適應(yīng)變量噴灑技術(shù)，通過實(shí)時(shí)反饋冠層參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)飛行高度和噴霧角度，在保證沉積均勻性的同時(shí)最大限度減少漂移損失。

4、施藥后的藥效評估與劑量優(yōu)化技術(shù)

科學(xué)評估植保無人機(jī)的施藥藥效，是提升防治水平、減少環(huán)境污染的關(guān)鍵。當(dāng)前，藥效評估主要依賴人工取樣和實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，存在時(shí)效性差、過程難溯源等問題。近年來，農(nóng)田農(nóng)藥殘留動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)取得新進(jìn)展。研究人員利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)，結(jié)合農(nóng)藥理化性質(zhì)、施藥工況等構(gòu)建環(huán)境行為模型，模擬農(nóng)藥在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程。通過與病蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)、作物長勢信息進(jìn)行時(shí)空配準(zhǔn)，可定量評估無人機(jī)施藥效果和生態(tài)環(huán)境影響。在此基礎(chǔ)上，農(nóng)藥劑量優(yōu)化算法受到廣泛關(guān)注。通過比對不同劑量組合下的防治效果和成本收益，篩選出最佳施藥方案，在源頭上實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減量增效。

五、促進(jìn)植保無人機(jī)在水稻病蟲害防治中推廣應(yīng)用的策略

1、加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)與集成創(chuàng)新

推動(dòng)植保無人機(jī)在水稻病蟲害防治中規(guī)模化應(yīng)用，必須堅(jiān)持自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新，重點(diǎn)攻克一批制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。圍繞植保無人機(jī)的精準(zhǔn)作業(yè)需求，加快突破超低空飛行控制、自主避障、變量噴灑等核心技術(shù)，優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升作業(yè)效率和噴灑精度。針對水稻病蟲害防控需求，發(fā)展集成機(jī)載智能診斷、靶標(biāo)識別、施藥決策、藥效評估等功能的植保無人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“測報(bào)－施藥－評估”一體化。同時(shí)，統(tǒng)籌衛(wèi)星遙感、低空監(jiān)測、地面信息等數(shù)據(jù)資源，建立涵蓋全生育期的水稻病蟲害協(xié)同防控體系，為科學(xué)用藥提供智力支持。

2、完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)范植保無人機(jī)的生產(chǎn)與應(yīng)用

規(guī)范行業(yè)發(fā)展亟須完善標(biāo)準(zhǔn)體系。一方面，制定植保無人機(jī)分類、關(guān)鍵部件技術(shù)要求等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，明確動(dòng)力性能、導(dǎo)航控制、作業(yè)覆蓋率、藥劑利用率等量化指標(biāo)，為植保無人機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、組裝調(diào)試等提供統(tǒng)一遵循。另一方面，結(jié)合水稻種植特點(diǎn)和病蟲發(fā)生規(guī)律，細(xì)化不同生育期的最佳作業(yè)參數(shù)、施藥方式、藥劑選擇、劑量配比等要求，形成可操作的田間作業(yè)技術(shù)規(guī)程。同時(shí)，加強(qiáng)對植保無人機(jī)駕駛員的持證上崗管理，強(qiáng)化安全意識教育，規(guī)范飛防作業(yè)行為。此外，明晰事故責(zé)任認(rèn)定、風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)等法律制度，為行業(yè)健康有序發(fā)展提供法治保障。

3、加大政策支持力度，降低用戶的使用成本

高昂的植保無人機(jī)購置和維護(hù)成本制約了技術(shù)推廣。政府應(yīng)加大政策扶持，設(shè)立專項(xiàng)補(bǔ)貼資金，對購置、使用植保無人機(jī)的農(nóng)戶給予一定比例補(bǔ)貼，降低初始投資門檻。支持金融機(jī)構(gòu)開發(fā)面向新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體的信貸產(chǎn)品，提供低息貸款支持。鼓勵(lì)發(fā)展植保無人機(jī)“共享經(jīng)濟(jì)”，引導(dǎo)農(nóng)機(jī)合作社等社會(huì)化服務(wù)組織大規(guī)模購置植保無人機(jī)，為農(nóng)戶提供統(tǒng)防統(tǒng)治服務(wù)，攤薄單戶防治成本。完善植保無人機(jī)投入品和防治服務(wù)的價(jià)格形成機(jī)制，引導(dǎo)價(jià)格合理化。將植保無人機(jī)納入農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)范疇，提高保險(xiǎn)保障水平，分散農(nóng)戶風(fēng)險(xiǎn)。此外，加大稅收優(yōu)惠力度，為植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。

4、強(qiáng)化技術(shù)培訓(xùn)與示范推廣，提高基層植保隊(duì)伍的應(yīng)用能力

當(dāng)前基層缺乏掌握現(xiàn)代植保技術(shù)的實(shí)用人才，制約了植保無人機(jī)的精準(zhǔn)規(guī)范使用。要采取“請進(jìn)來、走出去”等方式，有針對性地開展植保無人機(jī)駕駛操作、程序設(shè)置、故障排查等實(shí)用技能培訓(xùn)，提升基層植保隊(duì)伍的整體素質(zhì)。完善農(nóng)技推廣體系，依托鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)技站、農(nóng)機(jī)服務(wù)中心等，整合多方力量，構(gòu)建“生產(chǎn)－供銷－技術(shù)”一體化服務(wù)模式。在農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)建設(shè)一批植保無人機(jī)示范基地，發(fā)揮示范引領(lǐng)和輻射帶動(dòng)作用，探索“政府引導(dǎo)、企業(yè)參與、合作社組織、農(nóng)戶受益”的推廣新機(jī)制。充分發(fā)揮新型職業(yè)農(nóng)民在技術(shù)推廣中的骨干作用，以點(diǎn)帶面營造“農(nóng)民學(xué)農(nóng)民”的良好氛圍，加速先進(jìn)適用技術(shù)在生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

總言之，植保無人機(jī)以其高效率、低成本、可持續(xù)等顯著優(yōu)勢，正在成為水稻病蟲害防治領(lǐng)域的革命性力量。但該項(xiàng)技術(shù)要真正實(shí)現(xiàn)規(guī)模化推廣應(yīng)用，還需在精準(zhǔn)感知、智能決策、自主作業(yè)等方面實(shí)現(xiàn)新的突破。未來應(yīng)以需求為牽引、以問題為導(dǎo)向，著力打通技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、示范推廣、服務(wù)監(jiān)管等各個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，還要充分發(fā)揮政府引導(dǎo)、龍頭企業(yè)帶動(dòng)、基層組織配合、農(nóng)戶積極參與的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，調(diào)動(dòng)多方力量協(xié)同發(fā)力。相信通過產(chǎn)學(xué)研用各界的共同努力，植保無人機(jī)必將成為助力我國水稻生產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展的新引擎，為保障國家糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展貢獻(xiàn)更大力量。

（作者單位：1.535300廣西壯族自治區(qū)欽州市浦北縣植物保護(hù)站；2.535300廣西壯族自治區(qū)欽州市浦北縣農(nóng)業(yè)發(fā)展中心；3.535300廣西壯族自治區(qū)欽州市浦北縣農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測站）