植保无人机航空施药作业在广西大田作物中的应用研究

王海滢

(广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004)

引言

当今世界的农业，已逐步进入数字化时代，无人机技术正广泛应用于农业植保，在农药喷洒和叶面肥喷洒作业中大显身手。广西大田作物除传统的水稻和甘蔗连片种植外，近30a来，又出现了许多县市的大面积连片柑橘、连片芒果、荔枝龙眼、火龙果等。利用我国领先的植保无人机技术，开展必要的应用技术研究，为大田作物实行科学喷洒作业，能大大提高工作效率和喷洒效果，以确保大田作物种植产业的可持续发展。

1 植保无人机应用介绍

1.1 基本概念及分类

植保无人机是一种装载有农林植保药剂喷淋撒播设备的无人驾驶飞行器，一般由机架、飞控、动力、喷洒4大系统组成。现在主流的植保无人机以电动多旋翼无人机为主，根据旋翼结构可以分为倾转双旋翼(极飞V50)、四旋翼(大疆T10、T20,极飞P100)、六旋翼(大疆T30)、X型共轴双旋翼(大疆T40)等。主流挂载可喷洒液态雾状、粉状的药剂或肥料，也可以进行种子和颗粒剂撒播，从而提高农作物的产量和品质。

1.2 植保无人机航空施药的优势

1.2.1 自动化程度高

通过定位导航、姿态控制、精密传感器、数图传输等设备，操作人员可以通过控制地面站软件预先设定好作业方案和规划航线，从而实现无人机的自动起降、航线飞行及自动喷药作业。

1.2.2 作业效率高

与传统人工喷洒作业相比，无人机航空施药在作业效率、药剂用量、药害安全防范等方面具有较大的优势。

表1 无人机植保与人工植保农药喷洒优劣对比

1.2.3 成本低

相对于使用燃油发动机的农业固定翼和单旋翼(直升机)无人机而言，电动多旋翼无人机结构简单，价格便宜，相比居高不下的油价，电价成本低，电池的保养要比复杂结构的燃油发动机保养简单，从而使得在设备上的投入成本不高。

1.2.4 安全性高

由于植保无人机全程自动驾驶完成喷洒任务，在规范操作的前提下，相关人员不会直接接触到农药，对人体伤害极小。通过搭载视觉定位、超声雷达等传感器，可以进行精准避障，提升了安全性。

1.2.5 操作简单

多旋翼植保无人机相对固定翼和直升机操作简单，一般群众通过短期专业化训练便可熟练掌握操作方法，且大多数时间为自动作业，从而降低了操作难度。

2 国内外植保无人机航空施药技术应用现状

2.1 国外无人机航空施药技术概况

航空施药技术是伴随着飞机及现代农业技术的发展产生的。早在1911年，德国科学家就提出使用固定翼飞机喷施农药防治病虫害的想法。1949年美国就已经开始农用飞机的研制与应用，是全球农林航空施药规模最大的国家。

1985年日本 Yamaha公司推出农用“R-50”型无人直升机用于航空施药，这是首次将无人机驾驶飞机用于农业航空施药。日本为进一步推动无人机的普及和安全使用，制定了其在农业领域推广普及无人机计划，包括农药化肥喷洒、鸟兽害防治等领域，力图到2022年无人机喷洒农药的面积扩大至100万hm2,并且实现50%以上的粮食和大豆种植区域引入无人机作业[1]。

2.2 我国植保无人机喷洒作业发展迅猛

我国第一次航空施药是在1951年，在广州使用了一架C-46型固定翼飞机在2d内执行了41架次的灭蚊蝇任务。2015年以前，我国航空施药领域一直是以有人机为主，包括轻型固定翼飞机和直升机，无人机也是以直升无人机为主。但是由于航空喷洒成本高、技术难度大，对于以传统农业模式为主的我国农业来说，无法大范围推广，只能处于研究探索阶段[2]。

而2015年以后，以大疆创新为代表的多旋翼电动无人机创新企业的快速发展，使得大众看到了多旋翼无人机在农林航空施药领域的发展潜力[3]。大量无人机创新企业也将电动多旋翼无人机应用于农林植保领域，华创证券经济分析师预测到2022年植保无人机整机销售、植保服务、维护维修、飞防药剂、飞手培训等相关市场总规模将突破600亿元。

2.3 以无人机为代表的智能装备正发力助推数字农业的快速发展

近3a来，我国农业相关部门正以“机械化+数字农业”为抓手，推动无人机数字农业应用拓展已初步形成3个梯队。第1梯队是大田应用，第2梯队是果树应用，第3梯队则是推动减肥减药、增产增收的数字农业应用。聚焦全程全面机械化，通过智能装备落地更多的数字农业应用，推动中国农业的可持续发展[4]。在这方面表现突出的大疆无人机在2021年的稻种播撒作业面积已突破666.67万hm2/次，播撒设备的保有量也突破了3万台大关。特别在黑龙江的水稻种植区，DJI-T30几乎成为了播撒设备的标配。

3 广西大田作物主要门类种植情况及无人机喷洒作业现状

3.1 广西大田作物种植的主要门类

广西作为我国南方热带和亚热带地区，主要大田作物种植的是水稻、甘蔗和以柑橘为主体的水果。

大米作为人们一日三餐不可或缺的粮食，在广西各地都有种植稻谷作物，据2018年统计，广西稻谷种植面积5799千hm2，而且这些年来因国家对粮食生产政策的倾斜支持，每年种稻面积正在回升。其中南宁、玉林、桂林3市的水稻种植面积都一直稳定在220千hm2以上[5]。

中国是世界上栽培橘树最早的国家，现已成为世界上第1大柑橘生产国。由于气候环境适宜，广西柑橘已连续6a成为全国柑橘栽培产量最大的省区，据国家统计局数据，2020年广西柑橘种植面积约为57.33万hm2，产量超过1200万t。

目前广西甘蔗种植面积占全国70%以上,在我国食糖市场中占有重要的地位，2021年，广西种植糖料蔗达76万hm2，比上年增加16666.67万hm2[6]。

3.2 广西植保无人机航空施药现状

近年来，因广西农村大量劳动力外出务工，留守的多为老人和孩子，大多数耕地陆续流转到种植专业户手上，而这些种植大户却经常为找不到劳动力而发愁。加之广西晴好天气较少，适于追肥和喷农药的时间紧迫，而这时却特别缺乏人手，于是，无人机喷洒作业就有了大显身手的机会。

广西无人机喷洒作业服务最多的是连片种植的水稻、甘蔗和柑橘类水果等大田作物。这些大田作物每年都会较有规律地发生各种病虫害，导致喷洒农药的工作量大而集中。此外，为了提高农作物产量和质量，需要根据作物长势定期播撒肥料、喷洒叶面肥或植物调节剂。于是，在一定时限和晴好天气短时间内要完成这些工作，依靠传统的人工操作几乎是不可能的。近年来，广西无人机服务机构和个体飞手，已经开始提供相应的服务，解了种植大户的燃眉之急。

广西植保无人机服务机构和个体飞手优选相应的农药和配方，重点对常见的甘蔗螟虫进行农药喷洒，获得很好的效果。而对于种植面积快速增长的柑橘，无人机喷洒作业更是发挥了人工不可替代的作用。广西种植柑橘最多的桂林市，近2a已有不少种植大户开始使用无人机对柑橘木虱进行飞喷药杀，从而有效地控制了黄龙病的传播危害。

4 广西大田作物无人机施药作业存在问题和困难

4.1 山区丘陵地貌影响作业效果

复杂地形地貌在一定程度上影响了无人机喷洒效果。以中国大疆为主导的多旋翼植保无人机操控系统虽然能适应各种地形，对于平坦连片的稻田、甘蔗地防治速度快且喷洒均匀，而对于山地果园或群峰环绕的坡地操作难度大，作业时间长，存在防治死角，不能在最佳防治时间完成喷施作业，一定程度上影响了防治效果。

4.2 不良天气影响无人机喷洒作业正常进行

天气对飞机飞行的影响十分明显，对电动多旋翼无人机影响更加明显，同时对植保无人机的喷施效果有决定性影响。广西处于亚热带季风气候区，高温、下雨、刮风的天气时有发生且变化无常，这种气候导致无人机在最紧急的时段难以正常飞行作业，作业中途因天气变化而被迫中止的情况也时有发生，这不仅影响到大田作物的病虫害防治和作物营养补充，还会降低已喷洒部分的药效和肥效。

4.3 零星地块喷洒作业导致成本增加

广西多山，地势起伏不平，连片大田喷洒作业面积在100hm2以上规模的较少，面积在30hm2以下的零星地块较多，在这样的小地块或不规则地块设计飞防线路和配药，会增加人工操作成本和用药成本，这也会在一定程度上影响种植户采用无人机作业的积极性。

4.4 续航能力不足导致作业效率降低

由于电池能量密度、自身载重、结构设计等多种因素影像，多旋翼电动植保无人机空药箱飞行时间一般30min左右，而满荷载飞行时间一般在10～20min以下，大风、低温等极端天气因素也会降低续航时间。在充电方面，植保无人机航空施药一般在野外执行，野外充电设施较少，无人机电池充电时间也较长，这就需要准备多块备用电池，从而增加了设备投入[7]。

4.5 专业化无人机植保人才缺乏

无人机植保不能简单理解为用飞机来喷农药，这应该是一个系统工程。对于无人机植保操作人员来说，不仅要求会驾驶植保无人机，还要熟悉无人机特性、结构、相关法规，能够正确使用植保无人机。同时要求操作人员要掌握病虫害防治、农林生产管理等多种综合技能，能制定无人机植保实施方案，保证作业顺利执行。未经过专业技能训练的传统农户无法完全发挥植保无人机的效能。

5 广西大田作物无人机喷洒作业的几点建议

5.1 集成地形测绘及三维建模数据

针对广西特殊的地形地貌，无人机操控人员需要提前实地勘测，如果地势起伏过大，周边有山峰或地块形状不规则，就应当事先进行三维地形重建，并将三维地形数据上传植保无人机平台，尽可能利用先进的5G技术建模，并使用北斗导航技术配合无人机操控系统，科学规划设计自动控制的飞行线路，破解复杂地貌的喷洒作业难题。可将测绘无人机系统与植保无人机集成为一个系统，提高针对不同地形的作业效果。

5.2 选择晴好时段抓紧作业

广西作为热带和亚热带季风气候区，刮风下雨变化无常，为避免特殊气候对无人机喷洒作业的不利影响，技术人员需要密切关注当地的天气预报，选择较安全的晴好时段进行喷洒作业。如遇天气突变刮风下雨，应立即中止作业，操控无人机安全返航，并做好下次补喷的预案。

5.3 多户连片大面积喷洒

为节约作业成本，提高防治效果，无人机植保团队应努力做好作业点周边地块种植户的工作，提前派人找到相关农户，说服其接受统一安排飞防作业，尽量做到“多户连片，统一喷洒，协同共赢，确保丰产”，实施大面积统防统治作业，为提高农药和叶面肥的喷洒效率和效果做好基础工作。

5.4 引入新型电池技术

现在大部分无人机使用的都是聚合物锂电池，该类型重量轻体积小，能量密度较大，放电效率高，但是由于能效问题，大多数多旋翼型无人机飞行时间都不会超过30min。近年来电动汽车产业也呈现高速发展的态势，尤其是电动汽车电源已经达到千公里级别的续航里程，跟飞机发动机技术的发展历程一样，如果能将电动汽车电源技术与无人机技术高度融合，无人机续航问题也将得到有效的解决。

5.5 推进专业化无人机植保队伍建设

结合乡村振兴战略，推进植保无人机设备技术及航空施药技术发展，增强无人机植保专业技术人员队伍建设，加大科研资金投入，解决植保无人机关键技术问题。鼓励大中专院校加强无人机植保专业人才的培养和培训，建设同时具备无人机技术、农林植保技术的新型农民，通过职业培训提升传统农民的无人机航空施药能力。

6 总结

本文通过对国内外电动多旋翼植保无人机航空施药情况的分析，根据广西大田农作物种植特点和无人机喷洒作业应用现状，提出了关于大田作物种植区地形、气候、作业面积、机型续航能力等制约因素和问题，相应给出了几点建议，旨在突破无人机农田喷洒作业桎梏，在尽量节约作业成本的前提下，科学实用地开展无人机喷洒作业，以达到最佳的喷洒效果，为广西主要大田作物农药、肥料和植物调节剂的喷洒作业提供一定的技术参考。