植保無人機(jī)在水稻種植中的技術(shù)優(yōu)勢及具體實踐應(yīng)用分析

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，植保無人機(jī)正以顛覆性技術(shù)革新重塑傳統(tǒng)種植模式。這種集航空科技與智能控制于一體的農(nóng)業(yè)裝備，通過飛行平臺、GPS飛控與噴灑機(jī)構(gòu)的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)了從厘米級定位到變量施藥的精準(zhǔn)操作。從播種期土壤藥膜精準(zhǔn)構(gòu)建，到灌漿期葉面追肥智能調(diào)控，植保無人機(jī)正以技術(shù)集成優(yōu)勢，推動水稻種植向“高效、經(jīng)濟(jì)、安全\"的現(xiàn)代化范式躍遷，為保障糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展開辟新路徑。

一、植保無人機(jī)的工作原理及優(yōu)勢

1、植保無人機(jī)的構(gòu)件組成

植保無人機(jī)是一種新型的農(nóng)業(yè)機(jī)械，其主要部件包括：飛行裝置、噴灑裝置、控制系統(tǒng)、電源和輔助設(shè)備。其中，飛行部件以無刷馬達(dá)和葉片為主；噴霧裝置由噴頭、噴嘴、噴射泵、藥箱等部件組成；控制系統(tǒng)包括GPS接收機(jī)、速度和加速度傳感器，還包括遙控接收設(shè)備、紅外測距和陀螺儀等。

2、植保無人機(jī)的飛行控制原理

植保無人機(jī)的飛行控制是利用葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的升力，使其脫離地面，然后通過相應(yīng)的飛行命令，實現(xiàn)對目標(biāo)的運輸和噴射。比如向前、向左、向右、向下、向上及向后的移動。以多翼無人駕駛飛機(jī)為例，在對角線上，操縱兩臺電動機(jī)逆向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動，同時生成反力矩，使其處于一種平衡狀態(tài)，使電動機(jī)的速度同時升高或降低，從而達(dá)到豎直升降的目的。并能使無人機(jī)在垂直升降時保持機(jī)體的平衡。

3、植保無人機(jī)的精準(zhǔn)定位原理

精確定位與衛(wèi)星定位相結(jié)合，是一種通過無人機(jī)上的接收器進(jìn)行定位的方法，其精度僅為米級，難以滿足精密定位和定點懸停的需求。另外一種更高級的定位方法，就是基于3d衛(wèi)星定位和地面基站定位信息，采用差分GPS方法對基站進(jìn)行高精度修正，再通過單基準(zhǔn)站差分和多參考臺局域分區(qū)差分等方法對基站進(jìn)行三維定位，并將其作為參考坐標(biāo)點，消除定位誤差，實現(xiàn)厘米級的定位精度。

4、植保無人機(jī)高效作業(yè)提升防治效率傳統(tǒng)人工植保方式效率低下，一人一天僅能完成 0.33～0.53hm² 農(nóng)田的農(nóng)藥噴灑，遇到病蟲害爆發(fā)期，根本無法及時控制災(zāi)情。植保無人機(jī)則能實現(xiàn)高效作業(yè)，多旋翼植保無人機(jī)作業(yè)面積可達(dá) 5.33～8hm²/h ，一天就能完成幾百畝農(nóng)田的植保任務(wù)。而且無人機(jī)不受地形和作物高度的限制，無論是丘陵山地，還是茂密的作物植株間，都能自由穿梭噴灑農(nóng)藥，極大縮短了作業(yè)時間，有效遏制病蟲害的擴(kuò)散，為農(nóng)作物健康生長保駕護(hù)航。

5、經(jīng)濟(jì)實惠降低生產(chǎn)成本

從經(jīng)濟(jì)層面來看，植保無人機(jī)能有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。人力成本方面，大規(guī)模農(nóng)田若采用人工植保，需雇用大量勞動力，成本極高；而使用植保無人機(jī)，只需少數(shù)飛手操作，就能完成大面積作業(yè)，人力成本大幅下降。農(nóng)藥成本上，無人機(jī)配備精準(zhǔn)的噴灑系統(tǒng)，可根據(jù)不同作物和病蟲害情況，精確控制農(nóng)藥噴灑量，相比傳統(tǒng)人工噴灑減少 30%～50% 的農(nóng)藥使用量，既節(jié)約了農(nóng)藥采購費用，又避免了農(nóng)藥浪費。此外，無人機(jī)作業(yè)速度快，能及時防治病蟲害，減少因災(zāi)情延誤造成的作物減產(chǎn)損失，從多個角度實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的提升。

6、植保無人機(jī)作業(yè)安全環(huán)保

植保無人機(jī)的使用保障了人員安全和生態(tài)環(huán)境。操作人員通過地面遙控設(shè)備遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)作業(yè)，無需直接接觸農(nóng)藥，避免了農(nóng)藥中毒風(fēng)險。在環(huán)保方面，無人機(jī)精準(zhǔn)施藥，農(nóng)藥霧化效果好，能更均勻地附著在作物表面，減少農(nóng)藥飄散到土壤、水體和空氣中的量，降低對周邊生態(tài)環(huán)境的污染。同時，減少農(nóng)藥使用量也保護(hù)了農(nóng)田周邊的有益生物，維持了生態(tài)系統(tǒng)的平衡，推動農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

二、無人機(jī)植保技術(shù)在水稻種植中的應(yīng)用

1、播種期應(yīng)用① 高精度土壤處理技術(shù)體系

在水稻播種前，土壤處理是為水稻生長創(chuàng)造良好基礎(chǔ)環(huán)境的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。無人機(jī)搭載的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與RTK厘米級定位模塊，能夠?qū)崿F(xiàn) ±5cm 的超高定位精度，這一精度遠(yuǎn)超人工操作的誤差范圍。結(jié)合前期通過無人機(jī)搭載的激光雷達(dá)或地面測繪設(shè)備采集的田塊高程數(shù)據(jù)，無人機(jī)可精準(zhǔn)規(guī)劃出貼合地形的飛行航線，確保藥劑能夠均勻覆蓋每一寸土地，避免出現(xiàn)漏噴或重噴現(xiàn)象。其變量噴灑系統(tǒng)是實現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的核心部件。該系統(tǒng)內(nèi)置高精度壓力傳感器與流量控制器，能夠根據(jù)GIS地圖中預(yù)先設(shè)定的藥劑濃度和噴灑量，實時、動態(tài)地調(diào)節(jié)噴頭流量。以坡度小于 15^° 的常規(guī)田塊為例，無人機(jī)在作業(yè)時會保持 1.2m 的恒定飛行高度，以 6m/s 的穩(wěn)定速度勻速飛行。

對于土壤肥力不均的田塊，無人機(jī)的多光譜傳感器發(fā)揮著重要作用。該傳感器能夠獲取土壤在紅、綠、藍(lán)、近紅外等多個光譜波段的反射信息，通過特定算法分析出土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分的含量分布情況。基于這些數(shù)據(jù)，無人機(jī)可聯(lián)動變量噴灑系統(tǒng)，對不同肥力區(qū)域?qū)嵤┎町惢乃巹┦┯貌呗浴＠纾谕寥婪柿^高的區(qū)域適當(dāng)減少藥劑用量，而在肥力較低、雜草可能更為旺盛的區(qū)域則增加噴灑量，從而實現(xiàn)藥劑的精準(zhǔn)投放，減少了20%～30% 的藥劑浪費，既降低了生產(chǎn)成本，又減少了對環(huán)境的污染。

② 植保無人機(jī)精準(zhǔn)播種操控技術(shù)

植保無人機(jī)精準(zhǔn)播種技術(shù)是一種新興的農(nóng)業(yè)技術(shù)，它利用無人機(jī)攜帶種子進(jìn)行空中播種，以實現(xiàn)作物種植的自動化和精準(zhǔn)化。這項技術(shù)的發(fā)展，不僅能夠提高播種效率和作物產(chǎn)量，還將對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。植保無人機(jī)精準(zhǔn)播種技術(shù)的核心特性主要包括以下幾個方面：一是高精度定位，利用GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對播種區(qū)域的精確定位。二是精準(zhǔn)撒播，通過精確控制無人機(jī)的飛行高度和速度確保種子均勻業(yè)現(xiàn)代化。三是智能控制，結(jié)合傳感器和圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)對播種過程的實時監(jiān)控和智能調(diào)整。植保無人機(jī)精準(zhǔn)播種技術(shù)的應(yīng)用場景非常廣泛，包括但不限于以下幾個方面：一是大面積種植。適用于大面積農(nóng)田的快速播種，提高播種效率；二是復(fù)雜地形作業(yè)。能夠在丘陵、山地等復(fù)雜地形中進(jìn)行，精準(zhǔn)播種；三是作物多樣化種植。支持多種作物的混合播種，滿足多樣化種植需求。與傳統(tǒng)人工播種相比，無人機(jī)播種不僅效率提升近10倍，還能實現(xiàn)精準(zhǔn)播種、均勻分布。據(jù)介紹，無人機(jī)播種，可以覆蓋農(nóng)作物的種、管、育等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，較以往人工育秧、插秧的傳統(tǒng)種植方式，播種效果更好，效率更高，成本更低。

2、分期

① 雜草識別與靶向施藥技術(shù)

水稻分蘗期是雜草生長的旺盛階段，也是雜草防控的關(guān)鍵時期。無人機(jī)搭載的多光譜傳感器（覆蓋 450～950nm 波段），能夠敏銳捕捉雜草與水稻在光譜反射特性上的差異。通過NDVI（歸一化植被指數(shù)）算法對采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可準(zhǔn)確識別出稗草、千金子等常見雜草，其識別準(zhǔn)確率高達(dá) 92% 以上。在此基礎(chǔ)上，AI圖像識別系統(tǒng)發(fā)揮作用，將識別出的雜草信息進(jìn)行整合，自動生成雜草密度熱力圖。熱力圖以不同顏色直觀地展示雜草在田間的分布情況和密集程度，為無人機(jī)的航線規(guī)劃提供了重要依據(jù)。無人機(jī)根據(jù)熱力圖規(guī)劃出“Z\"字形加密航線，優(yōu)先對雜草密集區(qū)域進(jìn)行重點噴灑，隨后再對其他區(qū)域進(jìn)行常規(guī)覆蓋，確保藥劑能夠精準(zhǔn)作用于雜草。在使用五氟磺草胺藥劑進(jìn)行除草作業(yè)時，無人機(jī)具備根據(jù)雜草高度動態(tài)調(diào)整飛行高度的能力。當(dāng)雜草高度小于 10cm 時，無人機(jī)將飛行高度保持在1.5m ，使藥劑能夠直接噴灑在雜草葉片表面；當(dāng)雜草高度達(dá)到10～20cm 時，無人機(jī)則自動提升至 2m 的高度，確保藥劑能夠穿透雜草植株冠層，有效接觸到雜草的中下部，提高除草效果。

② 病蟲害監(jiān)測與智能防治

在水稻分蘗期，紋枯病作為威脅水稻健康生長的“隱形殺手”，初期癥狀隱匿，往往在肉眼可見病斑時已造成顯著危害。而紅外熱像儀的應(yīng)用，為早期精準(zhǔn)監(jiān)測紋枯病帶來了革命性突破。當(dāng)紋枯病菌侵染水稻植株后，受侵區(qū)域的細(xì)胞代謝機(jī)制被打亂。病斑處細(xì)胞異常活躍，呼吸作用加劇，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較健康部位升高 0.5～1.2^°C ，紅外熱像儀依托其高精度的溫度感知能力，能夠捕捉到這種細(xì)微的溫度差異，以熱成像圖的形式直觀呈現(xiàn)，健康植株呈現(xiàn)均勻的冷色調(diào)，而病斑區(qū)域則以暖色調(diào)斑塊顯現(xiàn)。通過對連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析與對比，系統(tǒng)可在病斑肉眼可見前7～10天，敏銳識別出潛在的發(fā)病跡象。

在防治作業(yè)過程中，無人機(jī)采用仿地飛行模式。通過激光雷達(dá)實時感知地形起伏和水稻植株高度變化，無人機(jī)能夠自動調(diào)整飛行高度，始終與水稻冠層保持 0.8～1.2m 的恒定距離。在噴灑 25% 吡蚜酮藥劑防治稻飛虱時，無人機(jī)螺旋槳產(chǎn)生的紊流能夠?qū)⑺庫F均勻地沉降至水稻中下部葉片背面，這正是稻飛虱聚集和取食的主要部位，使藥霧與稻飛虱有效接觸面積增加了40% ，顯著提高了藥劑的殺蟲效果。針對紋枯病的防治，無人機(jī)通過調(diào)整噴頭的霧化參數(shù)，將 240g/L 噻呋酰胺懸浮劑霧滴粒徑精確控制在 150μm 。這樣大小的霧滴既能保證足夠的穿透力，使藥劑能夠滲透至葉鞘發(fā)病部位，又能避免霧滴過大導(dǎo)致的藥液流失和浪費。同時，無人機(jī)在飛行過程中會根據(jù)紋枯病發(fā)病區(qū)域的具體情況，靈活調(diào)整飛行速度和噴灑流量，確保藥劑能夠充分覆蓋發(fā)病植株及其周邊區(qū)域，有效遏制紋枯病的蔓延。

3、孕穗抽穗期 ① 三維建模與智能航線規(guī)劃

孕穗抽穗期是水稻產(chǎn)量形成的關(guān)鍵階段，對植保作業(yè)的精度和準(zhǔn)確性要求極高。無人機(jī)通過搭載的傾斜攝影模塊，對水稻田塊進(jìn)行多角度、全方位地拍攝，獲取大量的圖像數(shù)據(jù)。利用專業(yè)的三維建模軟件對這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可生成精度達(dá)5cm 的數(shù)字高程模型（DEM）。該模型不僅能夠清晰地展示田塊的地形地貌，還能準(zhǔn)確反映水稻植株的生長狀況，

結(jié)合病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)，無人機(jī)的智能控制系統(tǒng)會自動規(guī)劃出\"波浪式\"分層航線。對于稻瘟病高發(fā)區(qū)域，無人機(jī)采用 1.8m 、2.2m?2.6m 三層高度交叉噴灑的方式，確保藥劑能夠覆蓋到水稻植株的各個部位，尤其是穗部等易感病區(qū)域。而針對稻曲病，在水稻破口期前，無人機(jī)會實施“之\"字形往復(fù)噴灑航線，使藥劑能夠均勻地附著在每一個稻穗上，最大限度地降低稻曲病的發(fā)生概率。此外，無人機(jī)還配備了氣象監(jiān)測模塊，能夠?qū)崟r獲取風(fēng)速、濕度、溫度等氣象數(shù)據(jù)。基于這些氣象數(shù)據(jù)的作業(yè)決策系統(tǒng)，可自動判斷當(dāng)前天氣條件是否適合進(jìn)行植保作業(yè)。當(dāng)風(fēng)速大于3m/s 、濕度低于 60% 或高于 80% 時，系統(tǒng)會自動暫停作業(yè)，并提示操作人員等待合適的作業(yè)時段，從而避免因惡劣天氣導(dǎo)致藥劑揮發(fā)、漂移，影響防治效果。

② 變量施藥與智能防重噴技術(shù)

在稻瘟病防治過程中，無人機(jī)的智能流量控制系統(tǒng)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該系統(tǒng)能夠根據(jù)無人機(jī)的飛行速度自動調(diào)節(jié)藥劑流量，確保單位面積的施藥量恒定。例如，當(dāng)無人機(jī)以 7m/s 的速度飛行時，流量控制系統(tǒng)會將藥劑流量調(diào)整為 1.8L/min ；當(dāng)飛行速度降至 5m/s 時，流量則自動調(diào)整為 1.2L/min 。這種精準(zhǔn)的流量控制，保證了藥劑在不同飛行速度下都能均勻地噴灑在水稻植株上，有效提高了藥劑的利用率。針對稻曲病的防治，無人機(jī)采用了靜電輔助噴灑技術(shù)。在噴頭處施加5～8kV的高壓電場，使430g/L 戊唑醇懸浮劑霧滴帶電。帶電的霧滴在電場力的作用下，能夠更牢固地吸附在稻穗表面，通過靜電吸附作用增強(qiáng)了藥劑在稻穗表面的附著性，減少了 30% 的藥劑流失。同時，這種技術(shù)還能使藥劑更好地滲透到稻穗內(nèi)部，提高對稻曲病病原菌的抑制效果。為了避免重復(fù)噴灑導(dǎo)致藥害，無人機(jī)配備了雙目視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時拍攝無人機(jī)下方的田塊圖像，利用重疊率算法自動識別已噴區(qū)域。當(dāng)無人機(jī)檢測到即將進(jìn)入已噴區(qū)域時，會自動調(diào)整航線，改變飛行軌跡，確保藥劑噴灑的準(zhǔn)確性和唯一性，將重疊誤差控制在 ±10% 以內(nèi)，既保證了防治效果，又避免了因藥劑過量使用對水稻造成的損害。

4、灌漿成熟期

① 葉面追肥的智能調(diào)控技術(shù)

水稻灌漿成熟期的葉面追肥對于提升水稻品質(zhì)、增加產(chǎn)量具有重要意義。無人機(jī)采用靜電噴頭與壓力霧化相結(jié)合的復(fù)合噴灑技術(shù)，在噴施 99% 磷酸二氫鉀溶液時，展現(xiàn)出獨特的技術(shù)優(yōu)勢。通過調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度（3～5kV）和噴頭壓力（ 0.3～0.5MPa ，可將霧滴粒徑精確控制在 80～120μm 這樣大小的霧滴在電場力和重力的共同作用下，能夠在水稻葉片表面形成均勻的液膜，大大提高了肥料溶液與葉片的接觸面積，增強(qiáng)了葉片對養(yǎng)分的吸收效率。此外，無人機(jī)還配備了葉綠素?zé)晒鈧鞲衅鳎搨鞲衅髂軌驅(qū)崟r監(jiān)測水稻植株的營養(yǎng)狀況。通過檢測劍葉的SPAD值（土壤-植物分析發(fā)展值），系統(tǒng)可以判斷水稻植株是否缺乏養(yǎng)分。當(dāng)檢測到劍葉SPAD值小于35時，表明水稻植株可能處于缺肥狀態(tài)，系統(tǒng)會自動增加 10% 的追肥量；若SPAD值大于45，則說明水稻植株養(yǎng)分充足，系統(tǒng)會減少 15% 的用量。

② 后期病蟲害的智能預(yù)警與防控

在水稻灌漿期，稻飛虱和穗頸瘟是威脅水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的主要病蟲害。為了有效應(yīng)對這兩種病蟲害，無人機(jī)構(gòu)建了基于AI的預(yù)警模型。該模型通過對歷史氣象數(shù)據(jù)（包括溫度、濕度、降雨等）病蟲害發(fā)生數(shù)據(jù)以及水稻生長周期數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和分析，能夠提前3～5天預(yù)測稻飛虱和穗頸瘟的發(fā)病概率。一旦觸發(fā)預(yù)警，無人機(jī)便會立即啟動應(yīng)急防控程序。首先，無人機(jī)采用\"棋盤式\"航線對發(fā)病區(qū)域進(jìn)行全方位掃描，結(jié)合熱成像技術(shù)精準(zhǔn)定位高溫病斑。高溫病斑通常是病蟲害發(fā)生的集中區(qū)域，通過熱成像技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地識別這些區(qū)域，為精準(zhǔn)防控提供依據(jù)。在防控穗頸瘟?xí)r，無人機(jī)以 1.5m 的高度 .4m/s 的速度進(jìn)行低速細(xì)霧噴灑，將 2% 春雷霉素可濕性粉劑霧滴均勻地附著在稻穗頸部，這是穗頸瘟病原菌侵染的關(guān)鍵部位。而在防治稻飛虱時，無人機(jī)通過調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生定向氣流，將藥劑精準(zhǔn)地推送至稻叢基部，使藥劑能夠直接作用于稻飛虱的棲息和繁殖場所，大大提高了防治效果。

綜上所述，植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)病蟲害防治和觀測管理工作中的運用，對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用，通過高效推廣，可以促進(jìn)其他農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，既能增加收入，又能節(jié)約勞動力，降低生產(chǎn)投入，不斷提高生態(tài)保護(hù)的成效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和質(zhì)量的提高。在具體的推廣運用過程中，需要與現(xiàn)代化的信息技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行科技推廣模式的創(chuàng)新，不斷地提升推廣效果，促進(jìn)農(nóng)業(yè)科技的應(yīng)用和發(fā)展。

（作者單位：242100安徽省宣城市郎溪縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局）