寒地玉米植保无人机航空施药雾滴沉积效果研究

郭 爽，兰玉彬，许童羽,4，陈春玲,4，于丰华,4，姚伟祥,4，马 辉，孙慕君

（1.沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110161;2.华南农业大学电子工程学院/人工智能学院，广州 510642;3.国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，广州 510642；4.辽宁省农业信息化工程技术研究中心，沈阳 110161；5.辽宁省绿色农业技术中心，沈阳 110036）

农业是国家发展的基础，粮食安全直接关系到社会的和谐稳定[1-2]。传统的农业生产通常需要消耗大量的资源且效率低下，尤其是在面对突发性的农业灾害时，抵抗风险的能力普遍较弱。此外，近年来人口老龄化现象日趋严重，农业发展正在面临着无人可用的危机[3]。为缓解上述状况，人工智能技术被越来越多的应用到农业领域，即智能农业[4-6]。搭载人工智能技术的农业机械将有助于缓解农民的负担，并实现农业的智能化、无人化，农业生产过程安全可控且高效[7-9]。植保无人机是当下智能农业施药应用的新兴产物[10-11]。以往常规的施药作业大多是采用人工施药或者地面机械施药的方式，比较耗费人力物力且作业效率不高[12-14]，有数据表明目前中国主要农作物的农药利用率仅为40%[15]。而对于植保无人机，操作人员通过遥控器等移动设备就可以控制无人机在空中对农田进行智能施药作业，成本低效率高，且不受地形限制，也避免了机械作业引起的作物损伤及土壤压实问题，同时还有效降低了作业人员受伤中毒的风险[16-18]。在植保喷施作业过程中，需要在规定的时间段将药剂喷洒至作物特定的部位，才能保证较好的施药效果[19]。由于无人机自身载药量与作业方式的原因，其喷洒药剂多为高浓度药剂，而雾滴在空中自喷头喷出到作物冠层的沉降过程中又极易受到气流的干扰[20-21]。若喷洒不当，不但不能达到较好的病虫害防控效果，还会由于雾滴飘移等农药流失现象对周围环境造成损害[22]。因此，在现有的应用技术条件下，对植保无人机的喷施性能展开研究具有重要意义。

雾滴沉积效果是评价植保无人机喷施作业性能的重要指标。MARTINEZ-GUANTER等[23]在橄榄园和柑橘园中对植保无人机超低量喷雾的雾滴沉积质量及其经济性进行了评估，分析结果表明，与常规设备相比无人机可以有效节约农药，降低雾滴飘移且作业效率更高；MENG等[24]使用单旋翼无人机在桃树园中进行了喷施作业，并对Y形和主干形两种不同树形下的雾滴沉积效果进行了分析；许童羽等[25]对使用多旋翼植保无人机喷施北方寒地粳稻的雾滴垂直沉积效果进行了分析，结果表明，雾滴在水稻冠层上部的覆盖率及点密度最大，而中部的雾滴扩散比最好；ZHENG等[26]测试了玉米不同生长阶段下使用六旋翼植保无人机喷施作业的农药喷施效果，优选了玉米各个阶段的无人机作业参数并建立了相应数学模型，从而为玉米不同阶段的参数设置优选和喷施方法提供指导；张小秋等[27]通过正交试验对使用植保无人机在甘蔗园中进行飞防作业时的喷施流量、飞行高度及速度进行了参数优选；MARTIN[28]使用两种不同型号的植保无人机探究了飞行高度和速度对于喷施幅宽和雾滴粒径的影响；AHMAD等[29]研究了单旋翼植保无人机喷施作业时作业参数对靶区和非靶标区雾滴沉积的影响；陈吟等[30]探究了雾滴粒径和喷头型号对旋翼无人机喷施作业雾滴沉积分布及飘移的影响。从目前相关学者对植保无人机雾滴喷施沉积效果的研究成果中可以归纳出两点信息：一是当前航空喷施的研究范围还不够广，我国幅员辽阔，作物种类繁多，针对某一种或几种作物及单一型号植保无人机的研究结论并不能一定能够为其他作物的航空喷施作业提供指导；二是相关研究大多集中于植保无人机的作业参数优选及雾滴沉积分布特性，较少有关注实际作业条件下雾滴有效沉积率及其带来的潜在的环境风险。针对这一现状，本研究以高秆密植的中国北方寒地玉米为施药对象，基于大疆T20植保无人机的自主智能作业模式进行航空喷施雾滴有效沉积效果试验，就不同单位面积施药液量以及助剂对雾滴在玉米不同部位沉积的影响效果进行了对比分析，同时还探讨了外界干扰因素对当前主流智能化施药设备作业效果及环境的影响，并提出了适当的改进建议，以期为植保无人机精准施药技术的进一步优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于辽宁省调兵山市晓明镇(42°24'24.72″N，123°39'36.30″E)，试验对象为玉米，平均株高2.2～2.4m，种植密度约5万株·hm-2。试验时温度20.6℃，湿度60%，大气压100kPa，风速0.8～3.7m·s-1，风向西南风。相关气象信息由Kestrel 5500 Link微型气象站(美国Kestrel公司)测得。

1.2 无人机参数

试验所使用的机型为电动六旋翼大疆T20植保无人机(深圳大疆创新科技有限公司)。该机型主要技术参数及相关喷施性能指标如表1。试验所用喷头为常规压力喷头，型号为SX11001VS，数量为8个，喷头采用左右双喷头布置方式。

表1 植保无人机主要性能指标Table 1 Main performance parameters of plant protection UAV

1.3 试验方案

由于田间试验过程中需要对同一玉米植株反复喷施取样，因此所用喷施试剂为清水。部分架次还添加有高效农用喷雾激活助剂[迈润斯(北京)农业科技发展有限公司]，按照1∶1000的比例稀释使用。雾滴采集卡为水敏纸(26mm×76mm，瑞士先正达作物保护有限公司)。试验时，无人机采用常规往复施药模式进行玉米喷雾作业，各条航线之间间隔为5m，试验地块开阔无遮挡，且玉米长势较为一致。试验地块长100m，宽50m，按照五点采样法随机选择若干特征采样点(图1)。根据实际病虫害发生情况与防治经验，对于各个采样点的玉米植株设置上、中、下共3层采样位置，在各采样位置布置了水敏纸采集雾滴。其中，上层采样位置为顶部第2片叶处，距离地面平均高度为2.05m；中层采样位置为棒尖苞叶处，距离地面平均高度为1.35m；下层采样位置为底部倒数第2片叶处，距离地面平均高度为0.75m。

图1 试验方案示意图Figure 1 Schematic diagram of the test scheme

试验时无人机有效喷幅为5m。试验共设置4个架次(1#~4#)，包含15，30，45L·hm-2共3种施药量的处理，用于测试不同施药量梯度下无人机喷施雾滴在玉米植株不同采样位置的雾滴沉积分布情况，具体各架次设置如表2。

表2 各架次试验设置Table 2 The setup of each treatment

1.4 数据采集与处理

通过软件DepositScan(美国农业部)对各架次试验后采集到的的水敏纸进行分析，得到雾滴在对应采样点的DV0.1、DV0.5、DV0.9[其中DVa表示将一次喷雾过程中全部雾滴的按体积从小到大顺序累加，当累加值等于全部雾滴体积的(a×100)%时所对应的雾滴粒径值]、覆盖率、沉积密度及沉积量等数据，同时还可以计算出雾滴的沉积率、平均沉积密度、平均沉积量、沉积均匀性和穿透性等。

沉积率是农药在靶标作物表面的沉积比例，是衡量农药利用水平高低的基本参数，其计算公式为：

式中：P为沉积率；n为沉积在靶标作物表面的药液沉积量(μL·cm-2)；N为施药量(L·hm-2)。

为表征试验中各采集点之间的雾滴沉积均匀性，本研究采用变异系数CV值来衡量试验中无人机喷施区域内的各采集点之间的雾滴沉积均匀性(穿透性)。其中，变异系数值越小表示雾滴沉积越均匀，穿透性越好，变异系数计算公式为：

式中：S为同组试验采集样本标准差；Xi为各采集点沉积量(μL·cm-2)；Xˉ为各组试验采集点沉积量平均值(μL·cm-2)；n为各组试验采集点个数。

2 结果与分析

2.1 无人机航空喷施雾滴沉积量结果

图2 为以沉积量作为基础参数时各试验架次不同采样位置的雾滴沉积量对比图。经统计分析可知，4个架次整体的沉积量均值分别为0.029(1#)，0.025(2#)，0.051(3#)，0.021μL·cm-2(4#)。其中值得注意的是架次2#的施药量设置为30L·hm-2，为架次1#的2倍，但其整体沉积量均值相较于架次1#反而还减少0.004μL·cm-2。通过仔细对比各架次的飞行数据与气象数据，分析原因主要在于，架次2#作业时自然风风速较大，平均风速为3.7m·s-1，此时雾滴极易受到自然风的影响发生飘移，进而导致作物冠层的有效沉降减少；另一方面，本次试验植保无人机所用喷头型号为SX11001VS，其孔口尺寸在同类型压力喷头中偏小，因此喷施作业过程中形成的雾滴粒径较小，也更容易受到气流的影响。经方差分析，自然风速对于本试验各架次沉积量影响的显著性p值为0.045，表现为显著。因此无人机大田喷施作业时若自然风风速偏大(大于3m·s-1)，建议使用较大孔口尺寸型号的喷头，以增大喷施雾滴粒径从而减轻飘移。此外，由表2可知，架次2#的飞行速度与架次1#略有差异，因此还应该关注下洗气流对于雾滴运动的影响。

对沉积量进一步分析可以看出，施药量均为15L·hm-2的架次1#和4#的雾滴沉积量由上至下各层采样位置均呈现逐层减少的趋势。未使用助剂的架次1#上层采样位置(0.054μL·cm-2)和下层采样位置(0.016μL·cm-2)的雾滴沉积量均值要明显高于使用助剂的架次4#(上层0.034μL·cm-2、下层0.009μL·cm-2)，在中层采样位置二者则相差不多。对于施药量为30L·hm-2的架次2#，中层采样位置的雾滴沉积量是3层采样位置中最少的，仅为0.019μL·cm-2，但该层的雾滴沉积均匀性(53.27%)为3层采样位置中最佳，也是4个架次各层采样位置中最佳的。对于施药量为45L·hm-2的架次3#，其雾滴沉积量由上至下各层采样位置是则呈现逐层增大的趋势。该架次上层采样位置的雾滴沉积量在4个架次中属较高水平，而中层采样位置(0.058μL·cm-2)和下层采样位置(0.066μL·cm-2)的雾滴沉积量值则为4个架次中最高的，这也与该架次为4个架次中喷施量设置最高的架次相符。此外，架次3#上层采样位置的雾滴沉积均匀性为4个架次各层采样位置中最差的，高达141.50%。

以上沉积量分析结果可以表征出沉降到玉米植株中的雾滴在不同采样位置的沉积分布情况，沉积率则可以在宏观上反映出喷施药液在作业区域实际的有效沉积水平。由图3a可知，各架次的沉积率分布在8.30%~19.56%的范围内，其中架次1#的雾滴沉积率最高，架次4#也较高，架次2#最低。结合前述各架次沉积量结果对比分析可以看出，施药量的增加虽然可以在一定程度上增加雾滴在玉米表面的沉积量，但雾滴沉积率却是呈现下降趋势的，这表明大量雾滴都没有在作业区域有效的沉积，即随着施药量的增加，环境污染的风险也增大。进一步对雾滴沉积率分布百分比(图3b)分析还可以发现，有效沉积在玉米植株上的雾滴中有57%以上是分布在玉米的中上层采样位置，这在施药量为15L·hm-2的架次1#和架次4#中尤为明显，中上层的雾滴沉积率分布百分比均达到80%以上。而架次4#下层采样位置的雾滴沉积率分布百分比为各个架次中最少，为14.42%。同时，通过架次1#与架次4#的对比还可以看出，助剂的使用会使得中层采样位置的雾滴沉积率分布百分比显著增大；对于未使用助剂的架次1#至3#，随着施药量的增加，上层采样位置的雾滴沉积率分布百分比呈现出逐步降低的趋势，中下层采样位置的雾滴沉积率分布百分比则呈现出逐步增大的趋势。这也与前述各架次上中下3层雾滴沉积量变化的趋势相对应。

图中柱状图对应数字为该采样位置的雾滴沉积均匀性，折线图对应数字为该架次作业时的自然风风速The number in the column configuration is the droplet deposition uniformity,and the number in the broken line graph is the natural wind speed

图3 雾滴沉积率分布Figure 3 Distribution of droplet deposition rate

此外，本研究仅是对有效喷施作业范围内的玉米植株进行雾滴沉积效果测试，并未就喷雾过程中的飘移情况进行详尽测定评估。因此，尚无法准确判断出其他大量未有效沉积雾滴的去处，还存在着一定的不足之处，这也是未来下一步的研究中需要考虑改进的。

2.2 覆盖率、沉积密度及雾滴粒径结果

覆盖率、沉积密度和雾滴粒径同样是表征无人机航空喷施作业的重要指标参数。以覆盖率、沉积密度和雾滴体积中径DV0.5为基础参数继续对无人机航空喷施雾滴沉积效果进行评价分析，表3为各层采样位置相关雾滴沉积参数的汇总结果。由表3可知，在上层采样位置，架次1#的雾滴覆盖率均值(1.81%)最高，各架次之间覆盖率的极差值为0.92%，但差异并不显著(p=0.812)。各架次沉积密度与覆盖率的变化规律较为一致，处于30.7～67.5个·cm-2的范围内，极差为36.8个·cm-2。架次4#的DV0.5均值为194μm，与前3个架次的DV0.5均呈现出显著的差异性(p值分别为0.003，0.007，0.003)。在中层采样位置，架次3#的雾滴覆盖率均值(1.45%)最高，与架次1#和4#的覆盖率差异显著(p值分别为0.031和0.039)。各架次沉积密度也与覆盖率的变化规律较为一致，处于17.5～58.5个·cm-2的范围内，极差为41.0个·cm-2。架次4#的DV0.5均值(172μm)同样为各架次在该采样位置处的最大值，但仅与架次2#差异较为显著(p=0.042)。在下层采样位置，架次3#的雾滴覆盖率均值(2.19%)仍最高，且与架次1#和4#的覆盖率差异显著(p值分别为0.020和0.011)。各架次沉积密度同样与覆盖率的变化规律较为一致，处于15.7～84.7个·cm-2的范围内，极差为69.0个·cm-2。架次4#的DV0.5均值(145μm)仍旧是各架次在该采样位置处的最大值，但与上层采样位置显著性结果相反，此时架次4#的DV0.5与前3个架次的DV0.5差异均不显著(p值分别为0.588，0.317，0.832)。

表3 各层采样位置雾滴沉积参数Table 3 Droplets deposition parameters of each layer

对上述数据综合分析可以发现，在本试验的作业条件下，施药量为15L·hm-2(1#、4#)和30L·hm-2(2#)时雾滴沉积效果的差异并不是很大，但前二者和施药量为45L·hm-2(3#)时的雾滴沉积效果差异较为明显，其中施药量为15L·hm-2的架次4#与施药量为45L·hm-2的架次3#的雾滴沉积效果差异最为显著(p=0.045)。同时研究还发现，助剂对于雾滴覆盖率和沉积密度的沉积分布效果有一定影响作用，但并不显著(p值分别为0.140和0.060)，而助剂对于雾滴粒径的影响极其显著(p=0.001)，尤其在上层采样位置和中层采样尤为明显。下层采样位置雾滴粒径表现不显著表明小粒径雾滴穿透能力较强的特点，因其比大粒径雾滴更容易穿透，故在下层采样位置较多的都是小粒径雾滴，各架次之间的差异性反而不是很显著。表3中各架次在下层采样位置的DV0.5均值明显小于上层和中层采样位置的DV0.5均值的数据结果也论证了这一观点。

2.3 雾滴粒径谱占比分布结果

航空喷施雾滴分布的本质是雾滴经无人机喷头由空中释放后向各个空间方位的自由移动，雾滴粒径大小不同运动轨迹亦不相同。在上述研究基础上，为了更进一步深入且详细的描述完整的各架次航空喷施作业各粒径尺寸雾滴在各采样位置的分布情况，将雾滴粒径分为<100，101～150，151～200，201～250，251～300，>300μm共6个粒径谱区间，之后对各采样位置的雾滴参数进行统计。图4为采集各架次喷施试验的雾滴粒径数据后绘制的不同采样位置雾滴粒径谱占比分布情况。经测算可得，架次1#各粒径谱区间的雾滴在整体采样区域所占的比例分别为64.03%、25.95%、6.66%、2.47%、0.83%和0.06%；架次2#各粒径谱区间的雾滴在整体采样区域所占的比例分别为72.05%、20.27%、6.06%、1.41%、0.16%和0.07%；架次3#各粒径谱区间的雾滴在整体采样区域所占的比例分别为67.33%、22.96%、7.43%、1.74%、0.44%和0.10%；架次4#各粒径谱区间的雾滴在整体采样区域所占的比例分别为48.97%、26.29%、16.20%、5.39%、2.00%和1.15%。可以明显发现，各架次雾滴粒径分布主要集中在<100μm和101～150μm的小粒径谱区间内。架次1#~4#小于150μm粒径的综合平均占比分别为89.98%、92.32%、90.29%和75.26%，其余大粒径谱雾滴在各层采样位置所占的比例则相对较低。

图4 各架次雾滴粒径分布情况Figure 4 The droplets size distribution of each treatment

通过分析还可以看出，在小于150 μm的粒径范围内，未添加助剂的架次1#、架次2#及架次3#各粒径谱区间占比要明显高于添加助剂的架次4#；但在大于150μm的粒径范围内，添加助剂的架次4#的各粒径谱区间的粒径占比则均高于3个未添加助剂架次。此外，从图4还能够发现，架次1#、架次2#及架次3#各层雾滴在各粒径谱区间的分布曲线光滑且变化趋势较为一致，架次4#则体现出较大的波动性。上述结果再一次反映出本试验中助剂具有使航空喷雾粒径增大的效果，这也进一步印证了前述2.2中的雾滴粒径分析结果。

2.4 整体雾滴沉积分布效果

各架次整体雾滴沉积量的的沉积均匀性和穿透性进行汇总计算如表4。对于整体沉积均匀性，架次1#的整体沉积均匀性最差，高达149.96%，其余3个架次整体沉积均匀性较为接近，但也均处于90%以上的水平，并不是很理想。对于冠层雾滴穿透性，各架次由优至差的顺序为2#，3#，4#，1#，架次2#的冠层雾滴穿透性最佳，为19.22%，架次1#的冠层雾滴穿透性最差，高达73.48%。

表4 各架次雾滴沉积均匀性与穿透性Table 4 Droplet deposition uniformity and penetration of each treatment

通过上述数据对比还不难发现，沉积均匀性良好的架次往往伴随着良好的雾滴穿透性(架次2#)，沉积均匀性较差的架次其雾滴穿透性往往也较差的(架次1#)。此外，较高均匀性与穿透性的数据也表明未来在玉米田航空喷施雾滴沉积均匀性和穿透性方面的研究工作还亟待加强。另外，穿透性通常也被认作冠层不同位置的雾滴沉积量与冠层外部的雾滴沉积量的比值，即未来还需要在玉米冠层顶部布置靶标以测试进入冠层中的雾滴总量，相关的喷施设备和作业方法还有待进一步更新与提升。

3 讨论与结论

航空喷施雾滴在从空中向靶标作物叶片表面沉降的过程中，无人机性能、飞行操作控制、气象条件、株冠层结构和叶片特性等因素都会对沉积效果产生影响[31]。若控制不当，便会导致发生药液滴漏、雾滴飘移等药液损失现象，从而导致农药利用率降低，作业效果也会大打折扣[32]。植保无人机的施药效果检测与评估一直是航空植保领域的研究热点与难点。张京等[33]研究了WPH642型植保无人机的喷施雾滴沉积分布情况，得出最佳的航空施药参数为：飞行高度2m,飞行速度1.5m·s-1。邱白晶等[34]以示踪剂洗脱判定沉积量的方式研究了飞行速度与高度对小型无人机航空喷施沉积与飘移的影响，并建立了相关影响因素间的关系模型。相关学者的研究均是对无人机航空喷雾施药效果的基础研究，具有一定的参考价值，但仍旧存在一定的研究局限性与区域限制性。

本研究以大疆T20植保无人机为施药载体，对北方寒地玉米开展了航空喷雾效果研究试验，重点研究对比3种不同施药液量下雾滴在玉米冠层不同部位的沉积分布效果，还就添加助剂对雾滴沉积的影响效果进行了分析。研究结果表明，当无人机使用孔口尺寸较小的11001型常规压力喷头进行喷施作业时，若自然风风速较大，增大施药量并不一定能显著提升雾滴有效沉积量，自然风对雾滴沉积效果的影响程度要强于施药量的变化，风速过大会导致无人机有效沉积显著减少(p=0.045)。在本试验的作业条件下，施药量为15L·hm-2(1#、4#)和30L·hm-2(2#)时雾滴沉积效果的差异并不是很大，但前二者和施药量为45L·hm-2(3#)时的雾滴沉积效果差异较为明显。施药量由15L·hm-2增大至45L·hm-2虽然可以在一定程度上增加喷施雾滴在玉米冠层间的沉积，但雾滴的沉积均匀性会变差，且雾滴沉积率也有所降低。添加助剂会使航空喷施粒径显著增大，在施药量相同的前提下，未添加助剂架次的喷施雾滴约有89.98%比例的粒径是分布在小于150μm粒径范围内，远高于添加助剂架次的对应值(75.26%)。此外，助剂的使用对于雾滴覆盖率和沉积密度的沉积分布效果也有一定影响作用，却并不显著。各架次整体的沉积分布均匀性处于90.68%～149.96%的范围内，穿透性处于19.22%～73.48%的范围内，未来还需进一步加强对于雾滴沉积均匀性和穿透性的的研究工作。