王海瀅

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004)

引言

當(dāng)今世界的農(nóng)業(yè)，已逐步進入數(shù)字化時代，無人機技術(shù)正廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保，在農(nóng)藥噴灑和葉面肥噴灑作業(yè)中大顯身手。廣西大田作物除傳統(tǒng)的水稻和甘蔗連片種植外，近30a來，又出現(xiàn)了許多縣市的大面積連片柑橘、連片芒果、荔枝龍眼、火龍果等。利用我國領(lǐng)先的植保無人機技術(shù)，開展必要的應(yīng)用技術(shù)研究，為大田作物實行科學(xué)噴灑作業(yè)，能大大提高工作效率和噴灑效果，以確保大田作物種植產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 植保無人機應(yīng)用介紹

1.1 基本概念及分類

植保無人機是一種裝載有農(nóng)林植保藥劑噴淋撒播設(shè)備的無人駕駛飛行器，一般由機架、飛控、動力、噴灑4大系統(tǒng)組成。現(xiàn)在主流的植保無人機以電動多旋翼無人機為主，根據(jù)旋翼結(jié)構(gòu)可以分為傾轉(zhuǎn)雙旋翼(極飛V50)、四旋翼(大疆T10、T20,極飛P100)、六旋翼(大疆T30)、X型共軸雙旋翼(大疆T40)等。主流掛載可噴灑液態(tài)霧狀、粉狀的藥劑或肥料，也可以進行種子和顆粒劑撒播，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1.2 植保無人機航空施藥的優(yōu)勢

1.2.1 自動化程度高

通過定位導(dǎo)航、姿態(tài)控制、精密傳感器、數(shù)圖傳輸?shù)仍O(shè)備，操作人員可以通過控制地面站軟件預(yù)先設(shè)定好作業(yè)方案和規(guī)劃航線，從而實現(xiàn)無人機的自動起降、航線飛行及自動噴藥作業(yè)。

1.2.2 作業(yè)效率高

與傳統(tǒng)人工噴灑作業(yè)相比，無人機航空施藥在作業(yè)效率、藥劑用量、藥害安全防范等方面具有較大的優(yōu)勢。

表1 無人機植保與人工植保農(nóng)藥噴灑優(yōu)劣對比

1.2.3 成本低

相對于使用燃油發(fā)動機的農(nóng)業(yè)固定翼和單旋翼(直升機)無人機而言，電動多旋翼無人機結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，相比居高不下的油價，電價成本低，電池的保養(yǎng)要比復(fù)雜結(jié)構(gòu)的燃油發(fā)動機保養(yǎng)簡單，從而使得在設(shè)備上的投入成本不高。

1.2.4 安全性高

由于植保無人機全程自動駕駛完成噴灑任務(wù)，在規(guī)范操作的前提下，相關(guān)人員不會直接接觸到農(nóng)藥，對人體傷害極小。通過搭載視覺定位、超聲雷達等傳感器，可以進行精準避障，提升了安全性。

1.2.5 操作簡單

多旋翼植保無人機相對固定翼和直升機操作簡單，一般群眾通過短期專業(yè)化訓(xùn)練便可熟練掌握操作方法，且大多數(shù)時間為自動作業(yè)，從而降低了操作難度。

2 國內(nèi)外植保無人機航空施藥技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外無人機航空施藥技術(shù)概況

航空施藥技術(shù)是伴隨著飛機及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生的。早在1911年，德國科學(xué)家就提出使用固定翼飛機噴施農(nóng)藥防治病蟲害的想法。1949年美國就已經(jīng)開始農(nóng)用飛機的研制與應(yīng)用，是全球農(nóng)林航空施藥規(guī)模最大的國家。

1985年日本 Yamaha公司推出農(nóng)用“R-50”型無人直升機用于航空施藥，這是首次將無人機駕駛飛機用于農(nóng)業(yè)航空施藥。日本為進一步推動無人機的普及和安全使用，制定了其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推廣普及無人機計劃，包括農(nóng)藥化肥噴灑、鳥獸害防治等領(lǐng)域，力圖到2022年無人機噴灑農(nóng)藥的面積擴大至100萬hm2,并且實現(xiàn)50%以上的糧食和大豆種植區(qū)域引入無人機作業(yè)[1]。

2.2 我國植保無人機噴灑作業(yè)發(fā)展迅猛

我國第一次航空施藥是在1951年，在廣州使用了一架C-46型固定翼飛機在2d內(nèi)執(zhí)行了41架次的滅蚊蠅任務(wù)。2015年以前，我國航空施藥領(lǐng)域一直是以有人機為主，包括輕型固定翼飛機和直升機，無人機也是以直升無人機為主。但是由于航空噴灑成本高、技術(shù)難度大，對于以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式為主的我國農(nóng)業(yè)來說，無法大范圍推廣，只能處于研究探索階段[2]。

而2015年以后，以大疆創(chuàng)新為代表的多旋翼電動無人機創(chuàng)新企業(yè)的快速發(fā)展，使得大眾看到了多旋翼無人機在農(nóng)林航空施藥領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿3]。大量無人機創(chuàng)新企業(yè)也將電動多旋翼無人機應(yīng)用于農(nóng)林植保領(lǐng)域，華創(chuàng)證券經(jīng)濟分析師預(yù)測到2022年植保無人機整機銷售、植保服務(wù)、維護維修、飛防藥劑、飛手培訓(xùn)等相關(guān)市場總規(guī)模將突破600億元。

2.3 以無人機為代表的智能裝備正發(fā)力助推數(shù)字農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展

近3a來，我國農(nóng)業(yè)相關(guān)部門正以“機械化+數(shù)字農(nóng)業(yè)”為抓手，推動無人機數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用拓展已初步形成3個梯隊。第1梯隊是大田應(yīng)用，第2梯隊是果樹應(yīng)用，第3梯隊則是推動減肥減藥、增產(chǎn)增收的數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用。聚焦全程全面機械化，通過智能裝備落地更多的數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用，推動中國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。在這方面表現(xiàn)突出的大疆無人機在2021年的稻種播撒作業(yè)面積已突破666.67萬hm2/次，播撒設(shè)備的保有量也突破了3萬臺大關(guān)。特別在黑龍江的水稻種植區(qū)，DJI-T30幾乎成為了播撒設(shè)備的標配。

3 廣西大田作物主要門類種植情況及無人機噴灑作業(yè)現(xiàn)狀

3.1 廣西大田作物種植的主要門類

廣西作為我國南方熱帶和亞熱帶地區(qū)，主要大田作物種植的是水稻、甘蔗和以柑橘為主體的水果。

大米作為人們一日三餐不可或缺的糧食，在廣西各地都有種植稻谷作物，據(jù)2018年統(tǒng)計，廣西稻谷種植面積5799千hm2，而且這些年來因國家對糧食生產(chǎn)政策的傾斜支持，每年種稻面積正在回升。其中南寧、玉林、桂林3市的水稻種植面積都一直穩(wěn)定在220千hm2以上[5]。

中國是世界上栽培橘樹最早的國家，現(xiàn)已成為世界上第1大柑橘生產(chǎn)國。由于氣候環(huán)境適宜，廣西柑橘已連續(xù)6a成為全國柑橘栽培產(chǎn)量最大的省區(qū)，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2020年廣西柑橘種植面積約為57.33萬hm2，產(chǎn)量超過1200萬t。

目前廣西甘蔗種植面積占全國70%以上,在我國食糖市場中占有重要的地位，2021年，廣西種植糖料蔗達76萬hm2，比上年增加16666.67萬hm2[6]。

3.2 廣西植保無人機航空施藥現(xiàn)狀

近年來，因廣西農(nóng)村大量勞動力外出務(wù)工，留守的多為老人和孩子，大多數(shù)耕地陸續(xù)流轉(zhuǎn)到種植專業(yè)戶手上，而這些種植大戶卻經(jīng)常為找不到勞動力而發(fā)愁。加之廣西晴好天氣較少，適于追肥和噴農(nóng)藥的時間緊迫，而這時卻特別缺乏人手，于是，無人機噴灑作業(yè)就有了大顯身手的機會。

廣西無人機噴灑作業(yè)服務(wù)最多的是連片種植的水稻、甘蔗和柑橘類水果等大田作物。這些大田作物每年都會較有規(guī)律地發(fā)生各種病蟲害，導(dǎo)致噴灑農(nóng)藥的工作量大而集中。此外，為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，需要根據(jù)作物長勢定期播撒肥料、噴灑葉面肥或植物調(diào)節(jié)劑。于是，在一定時限和晴好天氣短時間內(nèi)要完成這些工作，依靠傳統(tǒng)的人工操作幾乎是不可能的。近年來，廣西無人機服務(wù)機構(gòu)和個體飛手，已經(jīng)開始提供相應(yīng)的服務(wù)，解了種植大戶的燃眉之急。

廣西植保無人機服務(wù)機構(gòu)和個體飛手優(yōu)選相應(yīng)的農(nóng)藥和配方，重點對常見的甘蔗螟蟲進行農(nóng)藥噴灑，獲得很好的效果。而對于種植面積快速增長的柑橘，無人機噴灑作業(yè)更是發(fā)揮了人工不可替代的作用。廣西種植柑橘最多的桂林市，近2a已有不少種植大戶開始使用無人機對柑橘木虱進行飛噴藥殺，從而有效地控制了黃龍病的傳播危害。

4 廣西大田作物無人機施藥作業(yè)存在問題和困難

4.1 山區(qū)丘陵地貌影響作業(yè)效果

復(fù)雜地形地貌在一定程度上影響了無人機噴灑效果。以中國大疆為主導(dǎo)的多旋翼植保無人機操控系統(tǒng)雖然能適應(yīng)各種地形，對于平坦連片的稻田、甘蔗地防治速度快且噴灑均勻，而對于山地果園或群峰環(huán)繞的坡地操作難度大，作業(yè)時間長，存在防治死角，不能在最佳防治時間完成噴施作業(yè)，一定程度上影響了防治效果。

4.2 不良天氣影響無人機噴灑作業(yè)正常進行

天氣對飛機飛行的影響十分明顯，對電動多旋翼無人機影響更加明顯，同時對植保無人機的噴施效果有決定性影響。廣西處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，高溫、下雨、刮風(fēng)的天氣時有發(fā)生且變化無常，這種氣候?qū)е聼o人機在最緊急的時段難以正常飛行作業(yè)，作業(yè)中途因天氣變化而被迫中止的情況也時有發(fā)生，這不僅影響到大田作物的病蟲害防治和作物營養(yǎng)補充，還會降低已噴灑部分的藥效和肥效。

4.3 零星地塊噴灑作業(yè)導(dǎo)致成本增加

廣西多山，地勢起伏不平，連片大田噴灑作業(yè)面積在100hm2以上規(guī)模的較少，面積在30hm2以下的零星地塊較多，在這樣的小地塊或不規(guī)則地塊設(shè)計飛防線路和配藥，會增加人工操作成本和用藥成本，這也會在一定程度上影響種植戶采用無人機作業(yè)的積極性。

4.4 續(xù)航能力不足導(dǎo)致作業(yè)效率降低

由于電池能量密度、自身載重、結(jié)構(gòu)設(shè)計等多種因素影像，多旋翼電動植保無人機空藥箱飛行時間一般30min左右，而滿荷載飛行時間一般在10～20min以下，大風(fēng)、低溫等極端天氣因素也會降低續(xù)航時間。在充電方面，植保無人機航空施藥一般在野外執(zhí)行，野外充電設(shè)施較少，無人機電池充電時間也較長，這就需要準備多塊備用電池，從而增加了設(shè)備投入[7]。

4.5 專業(yè)化無人機植保人才缺乏

無人機植保不能簡單理解為用飛機來噴農(nóng)藥，這應(yīng)該是一個系統(tǒng)工程。對于無人機植保操作人員來說，不僅要求會駕駛植保無人機，還要熟悉無人機特性、結(jié)構(gòu)、相關(guān)法規(guī)，能夠正確使用植保無人機。同時要求操作人員要掌握病蟲害防治、農(nóng)林生產(chǎn)管理等多種綜合技能，能制定無人機植保實施方案，保證作業(yè)順利執(zhí)行。未經(jīng)過專業(yè)技能訓(xùn)練的傳統(tǒng)農(nóng)戶無法完全發(fā)揮植保無人機的效能。

5 廣西大田作物無人機噴灑作業(yè)的幾點建議

5.1 集成地形測繪及三維建模數(shù)據(jù)

針對廣西特殊的地形地貌，無人機操控人員需要提前實地勘測，如果地勢起伏過大，周邊有山峰或地塊形狀不規(guī)則，就應(yīng)當(dāng)事先進行三維地形重建，并將三維地形數(shù)據(jù)上傳植保無人機平臺，盡可能利用先進的5G技術(shù)建模，并使用北斗導(dǎo)航技術(shù)配合無人機操控系統(tǒng)，科學(xué)規(guī)劃設(shè)計自動控制的飛行線路，破解復(fù)雜地貌的噴灑作業(yè)難題?？蓪y繪無人機系統(tǒng)與植保無人機集成為一個系統(tǒng)，提高針對不同地形的作業(yè)效果。

5.2 選擇晴好時段抓緊作業(yè)

廣西作為熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，刮風(fēng)下雨變化無常，為避免特殊氣候?qū)o人機噴灑作業(yè)的不利影響，技術(shù)人員需要密切關(guān)注當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報，選擇較安全的晴好時段進行噴灑作業(yè)。如遇天氣突變刮風(fēng)下雨，應(yīng)立即中止作業(yè)，操控?zé)o人機安全返航，并做好下次補噴的預(yù)案。

5.3 多戶連片大面積噴灑

為節(jié)約作業(yè)成本，提高防治效果，無人機植保團隊?wèi)?yīng)努力做好作業(yè)點周邊地塊種植戶的工作，提前派人找到相關(guān)農(nóng)戶，說服其接受統(tǒng)一安排飛防作業(yè)，盡量做到“多戶連片，統(tǒng)一噴灑，協(xié)同共贏，確保豐產(chǎn)”，實施大面積統(tǒng)防統(tǒng)治作業(yè)，為提高農(nóng)藥和葉面肥的噴灑效率和效果做好基礎(chǔ)工作。

5.4 引入新型電池技術(shù)

現(xiàn)在大部分無人機使用的都是聚合物鋰電池，該類型重量輕體積小，能量密度較大，放電效率高，但是由于能效問題，大多數(shù)多旋翼型無人機飛行時間都不會超過30min。近年來電動汽車產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢，尤其是電動汽車電源已經(jīng)達到千公里級別的續(xù)航里程，跟飛機發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展歷程一樣，如果能將電動汽車電源技術(shù)與無人機技術(shù)高度融合，無人機續(xù)航問題也將得到有效的解決。

5.5 推進專業(yè)化無人機植保隊伍建設(shè)

結(jié)合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，推進植保無人機設(shè)備技術(shù)及航空施藥技術(shù)發(fā)展，增強無人機植保專業(yè)技術(shù)人員隊伍建設(shè)，加大科研資金投入，解決植保無人機關(guān)鍵技術(shù)問題。鼓勵大中專院校加強無人機植保專業(yè)人才的培養(yǎng)和培訓(xùn)，建設(shè)同時具備無人機技術(shù)、農(nóng)林植保技術(shù)的新型農(nóng)民，通過職業(yè)培訓(xùn)提升傳統(tǒng)農(nóng)民的無人機航空施藥能力。

6 總結(jié)

本文通過對國內(nèi)外電動多旋翼植保無人機航空施藥情況的分析，根據(jù)廣西大田農(nóng)作物種植特點和無人機噴灑作業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了關(guān)于大田作物種植區(qū)地形、氣候、作業(yè)面積、機型續(xù)航能力等制約因素和問題，相應(yīng)給出了幾點建議，旨在突破無人機農(nóng)田噴灑作業(yè)桎梏，在盡量節(jié)約作業(yè)成本的前提下，科學(xué)實用地開展無人機噴灑作業(yè)，以達到最佳的噴灑效果，為廣西主要大田作物農(nóng)藥、肥料和植物調(diào)節(jié)劑的噴灑作業(yè)提供一定的技術(shù)參考。