基于多旋翼植保无人机的板栗飞防效果研究*

魏源，苏强，曾扬鹃，杜菁菁，齐永顺，4，王东升，4

(1.河北科技师范学院园艺科技学院,河北秦皇岛,066004;2.板栗产业技术教育部工程研究中心,河北秦皇岛,066004;3.河北省特色园艺种质挖掘与创新利用重点实验室,河北秦皇岛,066004;4.河北省板栗产业协同创新中心,河北秦皇岛,066004)

0 引言

植保无人机由于其在作业效率、节水节时、适应性、灵活性等多个方面具有优势,近年来得到了较快速的发展[1],在玉米、小麦等大田作物应用较多[2],对水稻、棉花的病虫防治有着非常显著的效果,然而受地形地貌及作物自身属性的影响,限制了植保无人机在山区的柑橘、茶叶、苹果、板栗、桃树等经济作物上的应用,相关报道还较少[3]。

目前,由于板栗单产低、效益差、立地条件恶劣,使得板栗的生产多处于靠天吃饭的窘境,其栽培管理也多为粗放管理模式。导致栗园后期郁闭严重,产量低,效益差。据估计,板栗低产低效林占全国种植面积的80%左右,年均单产仅有70 kg左右。病虫防治是板栗栽培管理中的重要环节,当前模式耗费人力巨大,管理用工费用逐渐增高,人工施药对身体伤害极大,生态环境逐渐失衡等,极大制约着板栗产业可持续健康发展。通过植保无人机飞防大田作物已经逐步成熟,然而其对于果树的研究却少之又少,果树生长环境恶劣,且人力物力耗费巨大,如果可以通过试验选定出针对果树的最佳飞行参数,并对其进行深入研究是非常有必要的。本研究利用大疆植保无人机T16、T20、T30,在秦皇岛市抚宁区进行了多旋翼植保无人机飞防雾滴效果优选试验,制定12种不同的参数搭配组合,探索其在板栗飞防中的可行性及作业效果,为检验无人机在开心型板栗园喷洒农药和防治有害生物效果,制定板栗无人机飞行作业标准提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

施药机器：多旋翼植保无人机型号为大疆T16、T20、T30,利用扇形压力喷头,超低量喷雾飞防施药。用药量为119.40 L/hm2,T16最大喷头流量4.8 L/min,T20最大喷头流量6 L/min,T30最大喷头流量8 L/min。

检测用具：正品精准科研数据分析专用水敏纸雾滴测试卡,万向夹(尺寸8 cm)、自封袋(尺寸10 cm×15 cm)、标签贴纸(常规标准尺寸)以及希玛高精度手持式风力测试仪AS836。

1.2 试验设计

该试验于2021年10月27日进行,试验果园选在河北省秦皇岛市抚宁区淼源坚果合作社板栗园内,位于N39°72′,E119°22′,地处燕山山脉东段丘陵地区与山前平原地带。当日平均气温为15 ℃,空气湿度为62%,自然风速为1.2 m/s。选择3棵土壤肥力、果树长势相同,树体指标接近,土肥水管理条件一致的板栗树,试验品系为“抚宁15号”,株行距为3 m×4 m。树体指标如表1所示。本试验共设12个处理,每个处理3次重复,其中飞防作业根据大疆T16、T20、T30植保无人机的基本性能(技术参数),按照喷雾作业质量要求,结合板栗园实际作业情况和工作经验,设计处理参数如表2所示。

表1 树体指标Tab.1 Tree body index cm

表2 试验设计Tab.2 Experiment design

1.3 试验方案

为保证试验的准确性,先进行喷幅预试验,试验田内选定矩形区块,设置一条长15 m,相距1 m平行的雾滴采集带,从中心线横向每隔1 m布置一根钢管,隔离带共15个点,将雾滴测试卡固定在每个点位。在无风的情况下,操作植保无人机沿中间飞行,模拟喷雾条件。待预试验结束后,将测试卡带回实验室,用雾滴计数卡计算出每张雾滴测试卡上的雾滴数(个/cm2),如果雾滴数高于20个/cm2,则为有效雾滴沉积密度,两张最低有效雾滴沉积数卡片的距离,为测定植保无人机喷雾的航幅。

根据无人机起飞路径,在距离起飞点30 m处,开始选定两两间距10 m的三棵试验树,此时飞机运行稳定,速度高度已达到初定标准。选定树冠中部南向和东向的主枝,沿主枝伸长方向,从内到外分别水平放置三张测试卡。使用万向夹将测试卡与叶片固定结实,确保正面朝上,保证与地面平行。操作无人机沿树木中线飞行(用清水代替药剂进行喷雾),严格监控记录飞行时间、喷洒面积,填写飞行记录,同时使用风力测试仪进行风力、风温测定。喷洒结束以后,按要求收取测试卡,进行信息提取。

1.4 数据处理

将数据用六六山下雾滴软件进行雾滴分析,得出不同处理的DV1(取样雾滴的体积按照从小到大进行排序累积,当累积值达到10%时所对应的雾滴直径)、VMD(取样雾滴的体积按照从小到大进行排序累积,当累积值为50%时所对应的雾滴直径)、NMD(取样雾滴的个数按照从小到大进行顺序累积,累积值为50%时所对应的雾滴直径)、雾滴谱宽度、雾滴密度、覆盖率、农药沉积量。利用Excel 2010对数据进行整理和相关性分析,利用SPSS 24.0进行主成分分析,得到主成分分值,以所选主成分对应的贡献率占所提取的2个主成分的贡献率总和的比例为权重,计算前2个主成分的分值与相应权重的乘积累加,得到综合分值F,分析研判各个指标之间相关性。以此来评价不同组合处理的优劣[4],选出最优处理。

2 结果与分析

2.1 不同飞行参数下指标效果分析

DV1值越大表明雾滴效果越好[5],不同处理下DV1数值差异显著,最高的M10为97.47 μm,最低的M5,仅为M10的四分之一。T16无人机与T20无人机各处理之间无显著差异,保持在24.35～40.59 μm之间,而T30无人机的DV1均值要比前者高出两倍之多。当无人机型号相同飞行参数不同的情况下DV1值均无显著差异。通过对比不难发现,当无人机高度不变,随着飞行速度增加,DV1值呈上升趋势。

VMD值越大表明雾滴效果越好[6],其中M9的VMD值最高,达到229.93 μm,是最低的M5的2.2倍。对比不同机型可以发现,T30与T16、T20无人机的VMD值差异显著,且明显优于T16、T20。T30不同处理的VMD值均高于200 μm,而T16和T20试验中最大的VMD值仅为166.71 μm。同一机型的不同处理间,VMD值虽有所变化,却无显著差异。此外,还发现使用T16和T20进行试验时,当一个参数固定,VMD值会随着另一个参数的升高而升高。然而在T30试验中,当一个参数固定,VMD值随着另一个参数的升高而降低,表现了完全不同的变化规律。

不同处理下NMD数值的区间在28.53～143.05 μm之间,最高的为M10,最低的为M5,最高的M10是最低的M5的5倍。通过对比发现,T30无人机在不同处理下无显著差异,稳定在136.08～143.05 μm之间,反观T16、T20无人机在不同处理下则差异显著,最小值为28.53 μm,最大值高达64.54 μm,NMD值越大表明雾滴效果越好,T30无人机要明显优于T16、T20无人机。在T20无人机进行试验的过程中,当一个参数固定,NMD值会伴随另一个参数呈现上升趋势。

雾滴粒径分布均匀度用雾滴谱宽度来表示,值越小表示均匀度越好[7],不同处理下雾滴谱宽度数值在0.90～1.69之间,最高的为M7,最低的为M9,M9处理雾滴分布最为均匀,效果最优,雾滴谱宽度为0.90,M7处理高达1.69。T30无人机试验中雾滴谱宽度数值均稳定在1.20以下,而T16无人机、T20无人机雾滴谱宽度数值介于1.21～1.69之间,T30植保无人机的雾滴粒径分布均匀度要优于T16植保无人机,T16植保无人机要优于T20植保无人机,所有处理均无显著性差异。当T16无人机进行试验时,高度参数不变,雾滴谱宽度会随着飞行速度的增加呈现上升趋势。当T30无人机进行试验时,无论设置哪一个参数为定值,雾滴谱宽度都会伴随另一个参数呈现上升趋势。

不同处理下雾滴密度数值在29.80～74.58个/cm2之间,最高的为M12,是最低的M5处理的2.5倍。T30无人机雾滴密度数值介于63.21～74.58个/cm2之间,T16无人机与T20无人机各处理之间无显著性差异,T30无人机的雾滴密度均值要高于T20无人机,T20无人机要优于T16植保无人机。雾滴密度越高防治效果也就越好。当T16无人机进行试验时,高度参数不变,随着飞行速度增加雾滴密度呈现下降趋势,当T20无人机进行试验时,速度不变,随着飞行高度增加雾滴密度呈现上升趋势。

不同处理下雾滴覆盖率在4%～21.33%之间,最高的为M9,是最低处理M2的5.3倍。雾滴覆盖率越高雾滴效果越好。T30植保无人机的雾滴覆盖率均值要优于T20、T16植保无人机,T20、T30无人机各处理间无显著性差异。当T16无人机试验高度不变时,雾滴覆盖率会伴随着飞行速度的增加呈下降趋势;然而当速度参数不变时,雾滴覆盖率又随着飞行高度增加呈现上升趋势。T20无人机高度不变,随着飞行速度增加雾滴覆盖率呈现上升趋势;速度不变,随着飞行高度增加雾滴覆盖率呈现下降趋势。

在叶面上沉积药量越多,喷洒效果就越好,流失在环境中的药量就越少。不同处理下农药沉积量在0.15～1.24 μL/cm2之间,农药沉积量最高的M9,是最低的M2的8倍。T30无人机各处理雾滴农药沉积量均值为0.825 μL/cm2,T16与T20无人机各处理农药沉积量均值都低于0.58 μL/cm2,T16无人机在进行试验时,高度参数不变,随着飞行速度增加农药沉积量呈现下降趋势;当T20无人机速度不变,随着飞行高度增加农药沉积量呈现下降趋势。

农药通过无人机喷洒的雾滴谱宽度、覆盖率、农药沉积量、覆盖密度、覆盖的均匀性都会对药效发挥有显著影响[8]。是判定植保无人机最适合组合的重要因素,不同飞行参数下各指标差异性分析如表3所示。

表3 各指标差异性分析Tab.3 Differential analysis of each indicator

2.2 12个不同处理的主成分分析

利用SPSS24.0对7个试验指标进行主成分分析,分别计算了7个指标的特征向量、特征值及贡献率(表4)和成分矩阵(表5)。

表4 七个指标的特征向量、特征值及贡献率Tab.4 Eigenvectors,eigenvalues,and contribution rates of the seven indicators

表5 七个指标的成分矩阵Tab.5 Component matrix of the seven indicators

前2个主成分(特征值>1)的累计贡献率达到89.087%,即前2个主成分可以代表所测所有指标89.087%的信息量,解释了绝大部分的原始信息。由各特征向量和贡献率可以得出,第1主成分的贡献率最大,达到了71.716%,特征值为5.02,主要由DV1、VMD、NMD、雾滴谱宽度、雾滴密度等因子决定;第2主成分的贡献率为17.371%,特征值为1.216,主要由农药沉积量因子决定。各指标间的相关性分析可以了解其内在联系,为筛选最佳处理提供依据。

通过表6可以发现,DV1和NMD呈极显著正相关(R=0.997,P<0.01),雾滴谱宽度和覆盖率呈极显著负相关(R=0.735,P<0.01),雾滴密度和NMD呈极显著正相关(R=0.802,P<0.01),雾滴覆盖率和农药沉积量呈极显著正相关(R=0.848,P<0.01)。

表6 各指标之间相关性分析Tab.6 Correlation analysis among the various indicators

2.3 七个不同指标的综合评价

由表7得分系数矩阵可以计算出2个主成分的得分,最终算出综合得分F。从综合指标上看,综合分值F越高,通过指标表现出来的处理越理想。不同处理的主成分得分及综合评价的分析结果如表8所示。

表7 成分得分系数矩阵Tab.7 Component score coefficient matrix

表8 12个处理的综合得分以及排名Tab.8 Composite scores for the 12 treatments as well as rankings

从表8可以看出,综合分值排名前5位的分别为M9、M10、M12、M11、M3,说明这几个处理综合表现理想;M8、M7、M6、M4、M2得分居中,说明这几个处理的综合表现一般;M1、M5评分较低,综合表现较差。

3 讨论

植保无人机体积较小,能够适应各种场地,在农业病虫害防治工作中具有安全、高效的优势,能够提升实际应用的便利度,与传统农业生产相比,使用植保无人机可以节约农药和水以及减少污染。目前我国植保无人机主要机型有大疆T16、大疆T20、大疆T30、天鹰-3、极飞P20、极飞V40等,其中大疆T16、T20、T30是农户们应用最多、性价比最高、总体反馈最好的三款无人机,因此对这三款无人机进行试验具有切实的可行性和参考性。

近年来关于无人机飞行参数对雾滴沉积效果影响的研究较多[9]。高圆圆[10]与张聪合等[11]研究发现植保无人机飞防作业质量受作业技术参数的影响很大,无人机作业技术参数包括飞行高度、飞行速度、喷幅宽度等,其中飞行高度、飞行速度对雾滴沉积有显著性影响。合理的飞行参数组合对于植保无人机的高效利用是至关重要的。考虑到植保无人机的施药范围、施药区域等问题,在小麦、玉米、高粱等大田作物中一般采用超低容量喷雾技术进行喷施[12-13]。高军等[14]认为无人机飞行高度不宜过低,若飞行高度较低,旋翼风场之外的雾滴受力情况较为复杂,受到环境风场、旋翼风场的边界效应、环境温度等多重因素的影响,一部分雾滴在还没有落到叶片上就已经消散,另一部分雾滴由于复杂风力的作用会发生飘移[15-17],雾滴均匀性变差,药害风险增加,药液大量沉积地面从而造成浪费,飞行高度一般为1.5～2 m。然而,果树作为一种高大树种,一般种植在山坡、丘陵地带,生长环境艰苦,人工作业较为困难,采用植保无人机开展防治工作可提高工作效率。王聪等[18]认为不同沉降距离下的雾滴覆盖密度存在非常大的差异,当沉降距离从1.5 m增加到3 m时,雾滴覆盖密度减幅超过65%;显然无人机飞防果树的作业高度直接影响到了雾滴的沉降效果,飞行高度一般设定在2 m左右。薛新宇等[19]通过筛选N-3型无人机施药参数研究发现,无人机在3 m高度以下施药的效果最好。余文胜等[20]认为运用较低速度、较大流量可以更好地使用植保无人机均匀喷洒至茶树叶面,当速度较快时,雾滴无法有效沉降在树体内部,继而影响树叶的沉积与吸收,飞行速度为1 m/s、1.5 m/s时可以让树叶更好地吸收药液。对于开心型板栗树,冠层厚度较大,当飞行高度达到3 m时,雾滴沉降距离显著上升,受飘离影响,对于树冠内部叶面影响较大。植保无人机的喷幅有限,当植保无人机飞行高度低于2 m,又会影响到树冠外围树叶的喷洒效果,所以高度范围为2～2.5 m。综上所述,在对板栗树进行飞防效果研究时,飞行速度设置为1 m/s、1.5 m/s,飞行高度设置为2 m/s、2.5 m/s。

常见的航空喷施作业质量性能指标主要有单位面积雾滴沉积量、雾滴谱宽度、雾滴覆盖密度及均匀度[21]。余文胜等[20]采用体积中值直径(VMD)或数量中值直径(NMD)等指标对雾滴沉积效果进行研究。本文基于不同机型、不同速度、不同高度组合下的VD1、VMD、NMD、农药沉积量、雾滴密度、雾滴谱宽度、覆盖率七个性能指标数据,利用六六山下雾滴软件进行雾滴分析[22-24],研究发现其总体趋势基本一致,所选指标可以有效反映植保无人机的喷雾质量,最后结合主成分分析法进行分析,发现T30植保无人机的飞防效果显著优于T16、T20植保无人机,T30植保无人机最理想的飞防参数为：速度1 m/s,高度2 m,喷幅7 m。

已有多项研究表明植保无人机喷雾相对于常规喷雾,工作更加高效、防治费用成本更低,具有良好的应用前景[25-27]。伴随着科技的进步,多旋翼无人机技术的蓬勃发展引发了植保无人机产业迅速成熟,目前无人机研发机构正在着手精准喷药方式提高、先进传感器开发、变量喷药控制方式改进、雾滴沉降规律研究、药物漂移预防等。无人机还可以运用于苹果、葡萄、山楂、樱桃等一切生存环境困难的植物,如果可以早期研究甚至可以马上运用到实用当中去,对于农药的节省,人力物力的大量节约,资源的利用开发都有很大的贡献,在不久的将来山区、牧区,均可以喷洒,甚至还可以涉及到人类无法到达的区域,这些都是在日前的文献中少有记载,未来也将会弥补我国在农业无人机领域的空白局面。

4 结论

本文使用大疆T16、T20、T30植保无人机对板栗树进行喷洒试验,通过设置不同的飞行参数,研究了12种不同飞行组合对雾滴密度及覆盖密度等七个指标的影响,并对数据进行处理分析,提出了无人机板栗喷洒作业参数的优化建议,结论如下。

1) 通过对比数据发现,在飞行参数相同的情况下,大疆T30植保无人机各项指标要优于T16、T20植保无人机,T30无人机的DV1值约为T16、T20的3.1倍,VMD值约为1.56倍,NMD值约为3倍,雾滴密度、覆盖率、农药沉积量三个指标的倍数分别为1.5倍、1.92倍、2.1倍。

2) 通过SPSS主成分分析法发现,大疆T30植保无人机在飞行速度为1 m/s、飞行高度为2 m时,总得分最高,分值为1.268,分值最低的为-1.12,飞行参数是速度为1 m/s、高度为2 m的T20植保无人机,通过对比不同飞行参数下植保无人机在开心型板栗园的飞防效果,达到防治有害生物的效果,建议选择T30无人机,飞行参数为速度为1 m/s、高度为2 m。