無人機施藥技術在農業生產中的應用研究現狀及展望

孫樂鑫，陳 兵，趙 靜，王 瓊，王 靜，宋 勇，陳子杰，韓煥勇，王方永，傅積海

(1.新疆農墾科學院棉花研究所，新疆石河子 832003；2.石河子大學農學院，新疆石河子 832003；3.新疆石河子職業技術學院水建分院，新疆石河子 832003)

我國是一個擁有1.2億hm耕地的農業大國，在現代農業生產過程中，作物的生長時好時壞，病蟲草害時有發生。作物生長不好，病蟲草害發生均會對作物的生長造成負面影響，降低作物產量和品質，嚴重時會使作物絕產，對農業生產造成巨大損失。因此，提高作物產量和品質，做好作物的生長調控和病蟲草害的防治工作尤為重要。作物的生長調控措施主要是水肥調控和化學藥劑調控，病蟲草害的防治措施主要有農業防治、物理防治、化學防治及生物防治等，常規生產中化學防治最多。據統計，農用化學品可防治高達45%的世界糧食供應損失。目前我國大部分地區仍然采用大容量、粗霧滴的傳統噴霧方式(背式噴霧器、擔架式噴霧機、大型機車等)進行作物的生長調控和病蟲草害的防治，噴灑出去的生長調控劑不能完全被作物吸收，部分進入土壤，產生了藥劑殘留；噴出的病蟲草害防控藥劑也只有20%～30%能夠有效作用于病蟲草害部位，大多數農藥被浪費，不僅污染了水土資源，還對環境造成了極大破壞。為了能夠更加高效環保地實現作物生長調控和病蟲草害的防治，無人機作為一種新型施藥機械應運而生。由于無人機與傳統植保器械相比具有安全性高、省水、省藥、靈活度高、噴施效率高、無損等特點，自2010年至今，無人機在農業領域的應用逐漸增多，已經貫穿了作物生長的全過程。隨著無人機技術的不斷發展，無人機的應用面積越來越廣，已成為作物生長調控和防治病蟲草害的主要手段，但仍存在市場亂、操作復雜、續航差、濃度大易產生藥害、缺乏行業標準、配套藥劑研發力度不夠等不足。

本文對國內外無人機的發展歷程和關鍵技術進行梳理總結，分析無人機快速發展的原因，綜述無人機噴施藥劑的應用情況，闡述無人機施藥發展過程中存在的不足，并展望無人機未來發展的幾大趨勢，以期為從事無人機施藥工作的相關人員提供技術支撐。

1 無人機施藥發展概況

1.1 農業無人機介紹

無人機是一種用于農林噴灑農藥藥劑的無人駕駛飛行器。一套完整的無人機具備機械、動力及控制三大功能。無人機的工作原理是借助于電機的旋轉，使螺旋槳產生升力，進而飛離地面。按照不同平臺構型來分，主要有固定翼、直升機、多旋翼三大類。根據動力系統的來源不同，可分為電動、油動、油電混動三大類。無人機的載藥量大多為10～45 kg，最大載藥量為80 kg(例如TDN-01)。他的噴灑系統主要包括藥箱、水泵、軟管和噴頭。藥箱是噴灑均勻的關鍵，材質要求防震蕩、耐腐蝕、耐磨損。水泵通常分為蠕動泵、齒輪泵和高壓泵，要避免使用濃稠度較大的藥劑，以免水泵內殘留藥渣影響其正常工作。軟管是連接水泵和噴頭的裝置，可根據需要調節長短。噴頭性能是影響藥效的關鍵，主要有扇形壓力噴頭和離心噴頭。

1.2 國內外農業無人機發展的歷程

1.2.1 國外農業無人機的發展歷程 縱觀全球，農業航空較發達的國家主要有日本、美國、俄羅斯、韓國、澳大利亞、巴西、加拿大等，但由于自然地理、人文政策不一，無人機的發展現狀各不一樣。

1.2.1.1 日本 日本種植面積最大的農作物是水稻，對農用機械的要求很高，加之日本人口老齡化現象比較嚴重，所以農業無人機在日本起步較早，發展比較完善，主要應用在農業領域。由表1可知，1983年日本農林水產省(隸屬日本中央省廳)委托雅馬哈公司率先開始農用無人施藥作業器械的研究。經過4年的研究探索，1987年世界上第1臺無人直升機R50問世，主要應用于農藥噴灑。1991年，日本農林水產省出臺了“推廣植保無人機在稻田中應用”的政策，無人機企業如雨后春筍般出現。1997年研制出RMAX機型，長為3.63 m、高為1.08 m、作業載荷為28 kg，配有水平對置雙缸發動機、全球定位系統(GPS)導航功能和雅馬哈姿態控制系統，能夠以恒定的速度飛行，同時保持機身的穩定，成為日本應用最廣的植保無人機。如今全球有2 500多架雅馬哈RMAX直升機在運行，用于大米、小麥、大豆和蔬菜等許多作物的噴灑作業。2017年推出了一款FAZER R多馬達無人機，可以噴灑4 kg。2018年YMR-01多馬達無人機投入市場，YMR-01的機體四周有6根旋轉軸，機身為碳纖維材料，體型要比普通的無人機大一些。作為領軍企業的日本雅馬哈，市場占有率達到60%，出口韓國、美國、澳大利亞、新西蘭、泰國等國家。日本無人機的蓬勃發展離不開政府的管理體系和協會的協同管理。早在1962年就成立了“農林水產航空協會”，負責小型無人機作業的協同管理。2017年由日本農林水產省消費安全局發布了無人機農藥配施利用技術指導準則，制定了航空植保專用藥劑行業標準。2019年日本農林水產省首次制定了農業領域普及小型無人機計劃，該計劃稱，到2022年要將無人機噴灑農藥的面積從目前的 2萬hm擴大至100萬hm。日本農林水產省還敲定了大幅增加果樹和蔬菜可用農藥數量的目標。目前，日本是無人機飛防最成熟，規模最大的國家。

表1 日本農業無人機發展歷程

1.2.1.2 美國 美國是世界上農業航空技術最先進，應用最廣泛的國家，至今已有110多年的歷史。美國的農業無人機技術在世界上處于領先水平，主要應用于軍事方面，在農業方面應用較少。由于美國法律法規的限制，美國的無人機發展規模不及日本，航空施藥主要以有人駕駛的固定翼飛機為主，約占到88%。2016年，美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration，簡稱FAA)正式頒布了《小型無人機系統的運行和審定》，這一政策促進了無人機在美國農業中的應用，尤其是在農業發達的加州地區。在無人機領域中，比較著名的美國企業主要有PrecisionHawk、Agribotix、DroneDeploy等。美國國會通過了免除農用飛機100美元單次起降費的議案，2014年美國政府針對該議案又投入了73億美元。美國的農場占地范圍比較大，對于有人駕駛的大載量固定翼飛機的需求大于農業無人機。近些年，隨著政府的監管放寬，農業無人機行業穩步發展。但在航空配藥發展過程中，仍以有人駕駛的航空飛機為主，農業無人機為輔。

1.2.1.3 俄羅斯 俄羅斯地廣人稀，是一個農業航空大國，與美國類似，農業無人機主要應用于軍事方面，農業主要以有人駕駛固定翼飛機為主，無人機發展緩慢。在2016年，俄羅斯中央流體和空氣動力研究院(TsAGI)完成了由俄聯邦韃靼斯坦共和國Aviaresheniya設計局設計的農用無人機的初始風洞試驗。研制的FLYP植保無人機，商載可達50～100 kg，飛行速度可達40～70 km/h。

1.2.1.4 其他國家 韓國耕地較少，以種植水稻為主，機械化水平較高，農業無人機施藥技術與日本類似。目前韓國應用的無人機依賴于中國和日本出口，本地基本上不生產無人機，但其市場開放，接受程度較好，政策規定較美國寬松，無人機發展較穩定。此外，澳大利亞、巴西、加拿大等國家農業航空也較為發達，他們的發展模式與美國相似，以有人駕駛的固定翼飛機和旋翼直升機為主。

1.2.2 國內農業無人機的發展歷程 農業無人機在我國國內發展起步較晚，但發展迅速。由表2可知，在2005—2006年，中國農業大學、中國農業機械化研究院等科研機構向有關部門申報提議進行農業無人機的研究工作。2008年由農業部南京農業機械化研究所、中國農業大學等單位共同承擔的國家“863”計劃項目《水田超低空低量施藥技術研究與裝備創制》正式實施，這標志著國內科研機構正式進入無人機施藥技術的探索階段。該項目成功研制出基于Z-3飛行平臺的油動單旋翼植保無人機。2010年，我國第1架自主研發的施藥無人機成功問世。2012年，國內第1款電動單旋翼植保無人機問世。2014年，中央一號文件中指出要“加快農用航空建設”，促進生態友好型農業發展。自2012年開始，由知網的關注度指數分析可以看出，我國對無人機的學術關注度也不斷提升。2015年，農業農村部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農藥使用量零增長行動方案》，新型無人機施藥方式開始迅速發展。同年，個別省份出臺了地方性補貼政策。2017年，農業農村部首次將農業無人機納入農機補貼。經過短短十幾年的發展，如今農業無人機的市場保有量已經超過日本。2020年我國的農業無人機產業逐漸朝著產學研相互合作的方向快速發展，誕生了很多代表性的農業無人機品牌，例如大疆創新、極飛科技、漢和、遼寧壯龍等。2020年12月21日，民航局適航司在深圳市向深圳市大疆創新科技有限公司頒發國內首個農業無人機系統設計生產批準函，這有利于推進農業無人機產業高質量發展。2020年，大疆農業發布了T30、T10等2款全新的農業無人機，T30的載荷量達到了30 kg；2021年，極飛科技發布了P40、P80、V40 2021款，其中，P80 2021款農用無人機載量達到40 kg，搭載全新的SUPERX4智能控制系統，結合極飛睿噴、睿播、睿圖模塊，測繪效率更高、霧化效果更好。極飛 V40 2021 款農業無人機采用行業首創的傾轉雙旋翼結構，刷新了人們對旋翼無人機外形的認知。我國農業無人機的自主研發和創新達到了一個新的高度，但是與一些發達國家相比還有較大的提升空間。目前，我國已然成為全球農業無人機作業面積最大的國家，2020年全國作業面積達到6 670萬hm(圖1)。

表2 我國農業無人機發展歷程

綜上所述，近年來亞洲地區的農業無人機使用量逐年上升，其他地區的農業無人機基本穩定。由于中日韓3國的耕地相對分散、經營規模較小、生產條件相對比較復雜等因素，中日韓3國的農業無人機施藥技術比較接近。在2012—2013年中日韓3國還展開過無人機施藥技術研究的國際合作。而美國、澳大利亞、巴西、俄羅斯等國家地廣人稀，多是農場主經濟，與農業無人機相比，有人駕駛的固定翼飛機是更好的選擇。

2 無人機施藥技術在農業中快速發展的原因

2.1 農業無人機優點較多

由表3可知，農業無人機優點主要有以下6點：

表3 傳統農業器械與農業無人機的比較

2.1.1 安全性高 據統計，每年因農業無人機作業中毒人數高達10萬、中毒致死率高達20%。農業無人機在噴霧安全性方面具有很大優勢，能夠滿足人體藥物分離的要求，使農業工作者免受農藥的直接、間接傷害。

2.1.2 省水、省藥、環保 農業無人機與傳統的人力機械噴霧相比，可以節省30%的殺蟲劑，節省30～40倍水量，不但降低了對周圍環境的污染，還減少了農產品的農藥殘留。

2.1.3 穿透性強 多旋翼農業無人機在作業時會產生旋翼氣流，噴灑出來的霧滴隨著氣流沉積到作物的冠層上，氣流吹動葉片，使霧滴均勻地附著在葉片的正反面，也能將霧滴帶到作物的中下部，較小型手動、背負式噴霧器穿透性強。

2.1.4 靈活度高，適應性廣 據統計，山脈、高原和丘陵占全國總面積的69%，由于特殊的地形地勢，傳統農業器械進地作業比較困難。而農業無人機體積小，作業時不需要跑道，可以垂直升降，不受地形地勢和作物長勢的制約，適應性比較廣。

2.1.5 噴施效率高 有效載荷為20 kg的農業無人直升機的效率是拖拉機安裝噴霧器的3～4倍，是手動噴霧器的30倍。農業無人機施藥對于大面積病蟲害的爆發有很好的防治效果。

2.1.6 無損 傳統的農業機械如小型手動、背負式、擔架式噴霧器和機車噴霧機械都需要進入田塊進行作業，不僅會對作物造成機械損傷，還會壓實土壤，改變土壤的物理性狀，不利于作物的后期生長。而農業無人機施藥則是超低空施藥，不會與作物進行直接接觸，避免了機械損傷。

2.2 農業勞動力短缺勞務費居高不下

在我國，超過88%的農藥噴霧機是人工操作的。早期我國經濟發展緩慢，農村人口眾多，大部分地區以自給自足的家庭經營為主。在這樣的背景下，對于新型農業器械(農業無人機等)并無迫切的需求。隨著工業化和城鎮化的快速發展，大量的青壯年進城務工，從事農業的人員嚴重不足。農村勞動力短缺加之人工勞作的環節和時間越來越少，導致勞務費越來越高，農業用工的壓力越來越大，很多地方用不起工的現象日益突出，而農業無人機具有勞動強度低、勞動力投入少的特點，受到廣大農民的青睞。

2.3 土地流轉規模加大

農村大量勞力外流，加快了土地的流轉。隨著土地流轉新政策的實施和國家大力發展農業規模經營，規模化的防治成為一種趨勢，施藥的效率要求越來越高，為農業無人機施藥提供了良好的沃土。

2.4 農業無人機購機補貼政策不斷完善

2017年我國就開始實行無人機購機試點補貼，目前大部分省、市和地區已經把農業無人機納入到農機購置補貼里。隨著無人機購機補貼政策的不斷完善，田間地頭的農業無人機將會越來越多。

綜上所述，當前我國從事農業的人口正在走向老齡化，從事農業的勞動力不足，而農業無人機高效、省時省力的特點正好契合了實際。隨著農業無人機技術的日漸成熟，作業成本也會下降。當前的整個大趨勢有利于農業無人機不斷發展，預計未來幾年內，農業無人機還有更大的發展前景。

3 無人機施藥的關鍵技術及其施藥流程

3.1 農業無人機路徑規劃方法

農業無人機施藥時，首先要進行路線規劃，路線規劃主要有標準航線、定點航線、自由航線等。標準航線多為固定區域規劃，只需規劃固定區域邊界即可，自動生成施藥航線，進行面上作業；定點航線為了滿足個性化需要，靶向噴霧，針對需要施藥的個別點進行規劃，進行點上作業；自由航線是為了滿足特殊區域需求，可以規劃直線曲線等航線，進行線上作業。當作業區域面積較大時，需要返回保障點進行藥液和電池的更換，而返回的途中為非施藥作業。為提高作業效率盡可能地縮短返回途中非施藥作業的時間，王宇等提出了基于Grid-GSA算法的路徑規劃方法，此方法相比于簡單規劃與未規劃情況，往返距離總和分別縮短了14%、68%，非施藥作業時間分別減少了21%、36%。另外，當作業區域面積較大時，單機配藥作業耗時長、效率有限。為了實現多機協同作業，闞平等提出了一種基于改進粒子群算法的多農業無人機協同路徑規劃解決方案，實現了對各農業無人機返航順序和返航點位置的尋優，大大提高了防治效率。徐博等研究了一種多架次返航路線規劃算法，使其能耗達到最小值，通過該算法進行航線規劃，能耗節省率達到了12.89%。針對不規則作業田塊，嚴煒等提出了基于差分量子退火算法的路徑規劃算法，降低了作業過程的藥耗和能耗。我國丘陵山地居多，針對農業無人機在丘陵山地上的作業情況，范葉滿等提出了一種基于模擬退火算法的路徑規劃，使農業無人機在山地作業時能耗達到最優。表4列出了農業無人機路徑規劃方式的用途，不同規劃方式適用范圍不同。

表4 農業無人機路徑規劃方式的用途

3.2 不同類型不同控制方式下農業無人機的噴灑效果

農業無人機飛行質量的好壞對于噴灑效果有著至關重要的作用。近些年隨著農業無人機領域的快速發展，市場上涌現了各式各樣的農業無人機。它們的飛行性能良莠不齊，防治效果也各不相同。為了能夠篩選出飛行性能高、防治效果好的農業無人機，陳盛德等選取了不同機型以及不同控制方式(半自主和全自主)的農業無人機進行飛行試驗，采用微輕型機載北斗導航定位系統，將不同類型獲取到的飛行參數與規劃參數進行對比分析，得出全自主控制方式下的四旋翼植保無人機飛行質量最高，為有意購買者提供了借鑒。

3.3 農業無人機避障技術

避障技術，顧名思義就是無人機自主躲避障礙物的智能技術。初期的避障方法主要是靠飛手目測障礙物進行躲避，但當障礙物與飛手相距較遠時，安全性就難以保證。農業無人機在田間作業時環境比較復雜，難免會碰到一些障礙物如輸電鐵塔、電線桿、大樹等。現階段農業無人機的空中沖擊主要是由于其避障能力有限。因此，對于農業無人機自主避障的研究迫在眉睫。吳開華等基于結構光視覺技術提出了一種障礙物檢測新方法，當作業過程中前方存在障礙物時，該方法通過光路的變化能夠準確檢測出障礙物的距離、角度、寬度，從而作出相應的飛行動作。孫柯等設計了一款基于雙毫米波雷達的避障系統，該系統通過毫米波雷達回波中心與障礙物之間參數的變化特點得出障礙物前方距離、側方距離、寬度。明宇提出了一種基于視覺的避障方法，該方法通過在農業無人機上搭載一個拍攝設備，對收集到的圖像處理分析來進行避障。由表5可知，不同避障技術各有優缺點，需要根據具體的環境選擇合適的避障方法。

表5 避障方法優缺點對比

3.4 農業無人機精準施藥技術

在農田實際生產中，作物生長和病蟲害的分布、嚴重度不是均勻的，變量施藥、精準施藥尤為重要，可以大量節省農藥，提高利用率。準確的高度控制是精準施藥的前提，在作業過程中藥箱質量不斷變化，會對高度的控制造成影響。郝學晟等提出了一種神經網絡與重力補償PD控制器相結合的控制方法，從模擬仿真結果看，可以有效提高控制精度。精準施藥離不開實時監測技術，段立蹄等提出了一種基于多信息融合的監測技術，可以將飛行過程中的飛行參數及藥箱參數融合起來，大大提高了監測的實時性，為精準施藥保駕護航。王大帥等針對此問題設計了一款基于LabVIEW的地面控制軟件，可以在作業過程中實現飛行速度和施藥流量的動態匹配，實際與理論流量平均偏差僅為1.9%。在極飛2021年的新品系列里，發布了AI處方圖技術，在這張處方圖上能看到作物長勢、施藥情況等，為變量施藥指引了方向，可以實現哪里需要噴哪里。

3.5 農業無人機霧滴沉積分布

霧滴沉積分布特征一直是一個研究熱點，對于調整作業參數至關重要。漆海霞等對不同機型、不同噴頭類型施藥特點的研究發現，單旋翼農業無人機比多旋翼農業無人機有效噴幅更大，離心式噴頭比液力式噴頭發射的霧滴粒徑更小，具有更佳的穿透性。許童羽等研究了水稻垂直空間上的霧滴分布規律，在有效范圍內旋翼下方的覆蓋率最好，遠離旋翼的位置覆蓋率次之。王昌陵等研究了單旋翼農業無人機不同因素對霧滴沉積的影響，就沉積效果來講，機尾朝前要優于機頭朝前，且側風速越大，霧滴越集中于下風向處。

3.6 農業無人機夜視功能

大部分病蟲害均發生在雨熱同期的夏季，較白天高溫高濕的環境，夜間更適合農業無人機作業。目前市面上大部分農業無人機都還不具備夜視功能，近年極飛發布了一款天目無人機視覺系統，具備主動近紅外照射技術，該技術通過機身主動發射近紅外光線，然后接收目標返回的紅外信號反饋，經過計算處理后，感知障礙物并實現夜間避障。夜視功能打破了施藥作業的時間限制，顯著提升了施藥效果和安全性能。

綜上所述，植保無人機技術比較新穎又比較復雜，加強對關鍵技術的研究是縮小我國與發達國家差距的必經之路，精準施藥技術的研究能最大程度地提高農業生產力，引領農業向精準化發展。路徑規劃的研究可以降低能耗，節約資源。避障技術的研究會提高植保無人機運行的安全性、穩定性。夜視功能的研究打破了植保無人機作業的時間限制。要想解決卡脖子現象，就要不斷學習和借鑒國外的先進技術，把對關鍵技術的研發放在首位，同時還需要不斷創新，開發適合國內的特色技術要求成果。

4 無人機施藥技術在農業中應用的影響因素

4.1 環境條件

影響無人機施藥的環境條件主要包括氣象條件、障礙物、不宜飛行區等。氣象條件有風速、溫度、光照、濕度、露水、降水等。其中，風速對霧滴沉降影響最顯著，當風速達于3 m/s時，不同粒徑的霧滴均會發生飄移。大風條件下會使藥液發生較大飄移，從而造成作物受藥不均。即使在風力較弱時噴灑，也要預留出飄移緩沖區域。當光照強烈、溫度較高時，藥劑的蒸發會變得強烈，懸浮顆粒的亂流增強，不利于藥劑發揮作用。雨露天氣時，空氣濕度過大，霧滴會沉積到地面，增加霧滴的流失。障礙物包括無人機噴施作業區域及附近出現的高壓線塔、電桿、樹木、建筑物等影響無人機作業的物體，或妨礙無人機操控人員視線的其他物體。不宜實施飛防作業的區域包括蜂、鳥、魚、蠶、畜等養殖場，公路、鐵路、學校、醫院、居民生活區附近，以及水源地、草地、生態敏感區等。

4.2 藥劑的物理性質

藥劑的物理性質包括黏度、表面張力、粒徑、蒸發率等。藥劑經過噴嘴噴灑出來，物理性質會發生改變，添加飛防助劑和輔劑會改變噴嘴的霧化性能，尤其對霧滴的表面張力有顯著影響。

4.3 作業參數

農業無人機的作業參數主要包括飛行高度、飛行速度、噴液量、噴嘴類型等。植保無人機在田間作業時，為使藥物噴灑得均勻，應使無人機保持一定的高度飛行。陶波等針對此問題的研究表明：隨著飛行高度升高，農藥霧滴的沉積量降低，飄移量增加；當噴液流量較大時，農藥霧滴的沉積量增加，飄移量降低。當然過大的噴液量也是不可取的，會使部分農作物發生藥害。常見的噴嘴有穿透性強的壓力式，霧化性強的離心式等2種，針對不同的需求選取不同的噴嘴進行作業。機型不同施藥效果也不一致，與多旋翼無人機相比，單旋翼農業無人機在作業過程中會產生翼尖渦流，造成霧滴的飄移，影響施藥效果。當單旋翼農業無人機在田間作業時，尾部可能會產生異常振動，從而造成農藥的少噴復噴。

4.4 噴施對象的形態指標

農業無人機廣泛應用于多種農作物，由于不同農作物或者同一農作物不同株型和冠層參數不同，施藥效果也參差不齊。如農業無人機噴施玉米時，下部受藥較小，發生在下部的病蟲害得不到緩解，施藥效果較差。農業無人機的防治效果受多種因素影響，所以在田間作業時要盡量選擇專業飛手，在無風弱光的多云天氣，使用飛防專用藥劑以及飛防助劑，針對不同的作物選擇不同的機型、設置合適的飛行參數，從而達到較好的作業質量。除了氣象條件不能改變之外，其余影響因素均可以通過加強對飛手的培訓、加強對專用藥劑的研究、無人機軟硬件的升級、施藥專家系統的推薦等方式進行人為控制。

4.5 飛手的熟練程度

目前，關于避障技術尚不完全成熟，雖然多數無人機已經完全可以實現自主作業，由于各種影響因素，比如不規則地塊、地塊邊界、特殊需求等使得農業無人機多數情況下仍然離不開飛手的手動操作。當在飛行過程中遇到突發狀況時，不熟練的飛手可能會由于緊張造成一些失誤，使部分農田噴灑不到農藥或造成“炸機”。而熟練的飛手田間經驗豐富，處理突發事件冷靜，使飛行比較平穩，施藥比較均勻，無人機保持完好。

5 無人機施藥技術在作物生產中的應用

5.1 農業無人機噴施脫葉劑

棉花在成熟前需要進行脫葉，這有利于棉花的集中吐絮。近些年來，利用農業無人機噴施脫葉劑已經越來越普遍，尤其是高機械化的新疆兵團地區。張榮等對比了農業無人機和機車對棉花的脫葉效果，認為農業無人機噴施2次脫葉劑效果最佳，機車施藥1遍和2遍棉花脫葉效果相當，但會降低棉花產量。胡紅巖等研究認為，施藥后5 d，農業無人機脫葉效果較差，30 d后，農業無人機脫葉效果與人工背負式噴霧器相當。王喆等研究認為，農業無人機噴施脫吐隆效果好于逸采和瑞脫龍。付凱研究發現，農業無人機脫葉與傳統機車相比，經濟效益增加，成本較低。農業無人機作業前應提前了解近期氣象情況，選取適當作業時期，設置好最佳作業參數，選取合適的脫葉劑，配合飛防助劑和輔劑效果更佳。作業完要注意觀察，在漏噴區進行二次噴施，以免造成損失。

5.2 農業無人機噴施殺蟲劑

作物蟲害傳統施藥防治的方式主要是機車施藥，存在劑量大、損傷高等特點，無人機施藥可實現自主施藥，定向噴霧，用量少，無損傷，近年來已經成為機車施藥的有益補充。王喆等應用農業無人機進行棉蚜防治，認為22%氟啶蟲胺腈懸浮劑(SC)防治效果最好，作業效率提升了3倍，省藥，成本大大降低，與機車效果相當。婁朝霞等應用農業無人機進行棉蚜和葉螨防治，對比機車棉蚜防治效果要更好一些，葉螨防治效果略差一些。田志偉等對晝夜條件下農業無人機的防效研究表明，夜間更有利于棉蚜的防治，藥液霧滴的穿透性更好。龔恒亮等對甘蔗棉蚜的防治表明，農業無人機施藥最佳組合為ALV-1502+SPA-01，飛行速度越快防治效果越差。Wang等利用不同農業器械對小麥麥蚜的綜合防治結果表明，農業無人機的防治效果與懸臂式和背負式噴霧器相當，效率高幾倍，但穿透性和沉積均勻性較差。王小武等利用農業無人機進行稻田稻水象甲防治試驗，其中不同機型對于防治稻水象甲差異不明顯，添加助劑后防效顯著提升。王佐乾等利用不同農業器械探究稻飛虱綜合防治效果，施藥后7 d，不同農業器械防治效果無顯著差異，14 d后，自走式噴霧機防治效果優于農業無人機，但農業無人機防治成本最低。藺喬仙等應用農業無人機進行薊馬、螟蟲防治，其中選用33%氯氟·吡蟲啉顆粒劑(GR)240 mL/hm效果較好，在蟲害初期防治效果更佳。

5.3 農業無人機噴施殺菌劑

作物病害傳統施藥防治的方式與蟲害類似，近年來關于無人機施藥防治病害也開展了一些研究。程應德等利用不同農業器械探究水稻紋枯病綜合防治效果，農業無人機比常規人工噴霧防效更佳，且省水省藥。淦城等應用農業無人機進行油菜菌核病防治，認為農業無人機防治油菜菌核病與電動噴霧器無顯著差異，但其大大降低了勞動強度，且油菜千粒質量和莢粒數有小幅提升。屈天元等應用農業無人機進行小麥赤霉病防治，結果表明農業無人機施藥的小麥平均病穗率顯著低于自走式噴桿植保機以及對照組，防治效果較好。李艷朋等利用不同機型的無人機對小麥赤霉病綜合防治效果進行對比，認為極飛P20和大疆T16防治效果最好，添加助劑防治效果會更好，且未造成藥害。胡中澤等進行農業無人機防治赤霉病的減量研究，發現添加助劑防治效果更佳。隨著藥劑用量的減少，防治效果也越來越差，農業無人機減量25%藥劑處理與普通噴霧器防治效果相當。

5.4 農業無人機噴施生長調節劑

生長調節劑對作物生長具有很好的調節作用，多采用葉面噴施的方式，為減少葉面噴施造成的機械損傷，學者們也開始嘗試利用無人機噴施生長調節劑。由于棉花存在無限生長的習性，通常需要棉花生長的不同時期噴施調節劑縮節胺來調節棉花生長。例如趙靜等對比了不同農業器械化控效果，認為農業無人機與機車噴施縮節胺對棉花株高的抑制率差別不大，但在提高棉花成鈴率方面要好于機車。張亞林等應用農業無人機噴施縮節胺表明飛行高度為1.5 m、飛行速度為4 m/s時，調控效果最好且優于機車。

5.5 農業無人機噴施除草劑

由于除草劑噴施易產生藥害，通常在播種前使用較多，作物生長季節除草劑噴施面積和次數都較少，無人機在除草劑噴施方面的研究較少。邵國民等將農業無人機應用于水稻直播防治雜草，其中農業無人機與擔架式噴霧機防治效果旗鼓相當，但農業無人機效率更高，大大節省了農藥，有利于大面積應用。張宋超等應用農業無人機進行看麥娘防治，施藥后10 d，農業無人機防治看麥娘效果不如人工背負式噴霧機。張小秋等應用農業無人機防治甘蔗雜草，與對照組相比，無人機總雜草株防效在89%以上，鮮質量防效在96%以上且甘蔗無藥害癥狀，持效期較長，噴施效率較高，防除效果較好。在使用農業無人機作業時，應盡可能加大流量，以小霧滴作業來提高藥液的沉積密度，提高防治效果。

5.6 農業無人機撒播技術

隨著農業無人機在農業中的參與度不斷提高，授粉、播種、施肥等過程不斷向機械化、智能化發展，農業無人機撒播技術逐漸走向成熟。2020年，中國農業科學院在新疆示范基地應用無人機對庫爾勒香梨授粉，當年果品品質明顯提升，產量也較往年增加。程建斌等應用農業無人機進行薄殼山核桃授粉，在單位面積產量、品質方面較對照明顯提升，且授粉效率極高。刁友等應用農業無人機進行水稻直播，效率與地走式直播機相比大幅提升，大大降低了成本且產量較穩定，提高了水稻種植的機械化水平。于豐華等利用水稻的光譜特征構建了處方圖，進而使用農業無人機進行精準追肥，氮肥追施量減少27.34%，且最終產量較常規追肥大致相同。

現如今農業無人機應用越來越廣泛，無論是大田作物還是園藝植物都有涉及，并且它的農業效果與其他傳統器械相比有明顯優勢。農業無人機在噴施殺菌劑、殺蟲劑、除草劑、脫葉劑方面研究應用越發普遍，在噴施縮節胺等生長調節劑方面也越來越多，無人機打頂也是未來應用的方向。隨著農業無人機撒播技術的普及，授粉、播種、施肥已成為其重要組成成分。

6 無人機施藥技術在農業生產中應用的不足及展望

6.1 無人機施藥技術在農業生產中應用的不足

6.1.1 電池容量技術受限，電動農業無人機的續航能力有待提高 農業無人機在大規模田地上植保作業時需要頻繁升降更換電池，大大降低了作業效率和安全性。目前無人機電池技術原理層面的研究不夠，使得電池容量受到了限制。無人機電池包括普通無人機電池和高倍率無人機電池。目前電池容量主要有5 000、10 000、12 000、14 000、16 000、22 000、32 000 mAh等。現階段提高續航能力需要從2個方面著手，一方面需要國家加大力度對農業無人機電池技術原理層面進行研究，加大補貼力度，培養專業型人才；另一方面從尋找新能源角度出發。徐偉誠等提出一種基于太陽能的農業無人機續航方案，該方案通過與鋰電池連接一塊硅太陽能電池板來實現對無人機共同供電，提高了續航能力。經試驗驗證，飛行時間平均提高了 70 s。雖然飛行時間提升的不多，但是這個方向是可行的，還有很大的提升空間。

6.1.2 農業無人機行業標準體系不健全，政策規程需要完善 近年來，農業無人機在我國得到迅猛發展，但植保無人機的制造和作業標準規范不完善，相關部門監管困難。這就導致行業內泥沙俱下，輕則降低農作物產量，重則危及植保人員的人身安全。為此，部分省份陸續采取了措施。2016年重慶市出臺了我國第1個農業無人機的地方標準DB50T 638—2015《農用航空器電動多旋翼植保無人機》。2017年《江西省農業植保無人機地方標準》在江西省正式實施。2018年我國首個國字號農業無人機行業標準誕生——NY/T 3213—2018《植保無人飛機質量評價技術規范》。2019年江蘇省南通市出臺了2個農業無人機團體標準。2020年浙江啟飛智能主導制定的多旋翼農業無人機“浙江制造”標準發布。當前國家標準并不完善，缺少作業規范和作業質量標準。我國應該繼續完善農業無人機行業標準體系和政策規程，規范市場秩序，加強市場監管，為廣大農民的根本利益保駕護航。

6.1.3 飛防專用藥劑研發不足，缺乏對周圍環境和生物影響性研究 農業無人機作為一種超低空施藥器械，與傳統地面農業器械所需藥劑不同，所用藥劑要考慮霧滴的防飄性、耐蒸發性。飛防專用藥劑存在低毒、高效、抗飄移、沉降好、耐蒸發、對農業無人機損害小等特點，但目前農業無人機田間作業仍大量使用傳統劑型，這不完全適合農業無人機施藥技術要求，不僅會堵塞噴嘴，還會對環境造成負面影響。吳海霞等采用不同農業器械配合不同藥劑對比對小麥赤霉病的防治效果發現無人機噴施專用藥劑的防治效果最高，達83.73%；常規電動噴霧器噴施傳統藥劑防效次之，達78.47%。說明農業器械與藥劑門當戶對才會使防治效果達到最佳。目前我國飛防專用藥劑登記進程較慢，但國外尤其是日本針對飛防專用藥劑的研究相當成熟，要借鑒國外經驗，逐步建立起飛防專用藥劑標準準則，加大對專用藥劑的研發。農業無人機施藥作為一種超低空施藥方式，產生的藥液霧滴有著獨特的物理特性。一般在田間試驗或作業時，人們往往關注作物的防治效果，而忽略了施藥后對生態的影響。雖然農業無人機噴施量小，但其噴施濃度較高，也會對周圍環境產生影響。應在每次噴施后對臨近作物、水源、養殖場等周邊環境進行跟蹤性監測研究，得出的結果可以為作業參數的制定提供參考，從而更加系統地權衡農業無人機的利弊。

6.1.4 大部分地區對農業無人機的培訓服務力度不夠 農業無人機作為一種現代科技的產物，與傳統器械相比，擁有眾多優點。但由于推廣力度不夠，農戶對于農業無人機的認識度不足，很多農民仍然以傳統施藥方式為主，對于農業無人機的防效、成本還處于半信半疑的狀態。這就需要實地考察給農民朋友宣傳講座，打消疑慮。甚至有部分農戶購買了農業無人機，怕損壞機器，閑置率高，不會操作，不敢操作。這就需要無人機公司擁有較好的售后服務，派專業飛手進行培訓，積極探索新的推廣模式，更好地融入市場。針對價格不滿意的用戶，可以采取租賃的形式。

6.2 農業無人機施藥技術展望

6.2.1 大數據支持下的施藥專家系統開發 2019年，我國進入了5G商用時代，5G具有高速率、低時延、大帶寬等優點。2020年，北方天途航空技術發展(北京)有限公司推出一款5G植保無人機M4E，實現了5G技術在農業無人機領域的應用。農業無人機與5G技術的結合將大大提高施藥作業的效率，提高飛行穩定性、安全性，大大提高了數據上傳處理速度。農業無人機在不同氣象條件下對不同作物進行田間作業時，飛行參數、機型、藥劑藥量不同防效也大不一樣。隨著農業無人機的廣泛應用，不同機型的農業無人機在不同地形地勢、風向、風力、溫濕度下的飛行參數以及用藥量匯聚成大數據，且隨著作業量的增加不斷完善。基于此，施藥專家系統成為了可能，用戶在施藥作業時只需要輸入氣象環境條件、作物種類就可以得到最佳的飛行參數、推薦藥劑藥量以及合適機型，提高了使用人的專業素質，這不僅會提高農業無人機的使用頻率，還會顯著增加有效植保面積。隨著智慧農業的不斷發展，未來5G技術在農業無人機領域中的應用將會更加普遍，自動化、智能化水平不斷提高，向著“互聯網+農業”發展。無人機施藥專家系統的開發利用是將來的發展方向。

6.2.2 農業無人機生物防治技術 將農業無人機應用于生物防治，例如利用農業無人機在水稻田投放被赤眼蜂寄生了的米蛾卵，赤眼蜂孵化之后可以從小孔中飛出并且主動尋找螟蟲的卵進行寄生，最終殺死螟蟲的卵從而達到生物防治的效果。另外，巴西近一半的甘蔗田種植區都采用了赤眼蜂來防治蟲害，其中98%都是通過無人機釋放的。在未來可以應用于豆類、玉米、小麥以及瓜果類等作物的生物防治。無人機施藥生物防治的應用前景廣闊。

6.2.3 多機合作或一機多能進行田間作業技術 傳統的作物長勢監測和病蟲草害監測主要是靠農業技術人員在田間進行調查，費時費力，而近些年利用無人機遙感監測作物長勢和作物病蟲害成為一種重要的監測手段。它采集信息迅速，覆蓋率比較廣。在農業無人機作業前，同一無人機或不同無人機先在該地段飛一遍，例如極飛P40、P80、大疆T30等，通過采集作物的光譜信息，經過分析獲取作物長勢和病蟲害處方圖，從而為農業無人機作業提供精準定位。這樣可以實現按需給藥，節約成本。既響應了國家減藥的政策，又迎合了大眾對綠色安全食品的追求。隨著精準農業的發展，多機合作成為未來農業作業的一種新趨勢，增加了各種技術的關聯性。無人機綜合監測施藥技術前景廣闊。

6.2.4 公共場所的無人機殺菌消毒 農業無人機不僅服務于農業方面，也與人們的公共生活息息相關。2019年12月暴發了新冠疫情，切斷傳播途徑至關重要。為此，全國上下開始對各種公共場所進行消殺，主要是采用穿戴厚重的防護服人工消殺。該方法存在效率低、用工多，容易造成消殺人員感染等問題。2020年1 月 31 日，極飛科技正式宣布啟動“春雷行動”，投入500 萬元人民幣，設立防疫消殺專項基金，為全國極飛用戶義務防疫消殺作業保駕護航。據統計，數千架極飛農業無人機參與了消殺工作。采用農業無人機搭載消毒藥劑進行消殺，專業飛手可以在操作室遠距離遙控農業無人機進行作業。該方式會大大提高消殺速率，同時避免了人直接和藥、病毒接觸。這將為未來大面積消殺傳染類病毒細菌提供很好的借鑒作用。

當前全球農業正在經歷第4次革命，即智能革命時代，機械化、智能化是未來農業發展的方向。農業無人機的應用對提高我國植物病蟲害防治機械化水平，增強農業抗風險能力具有重要意義。盡管目前無人機施藥技術與發達國家還存在差距，但是我國近年來不斷加強創新能力和對核心技術的攻關，并增大資金的投入，與幾年前相比，關于農業無人機作業的標準規范也逐漸多了起來，各大農藥公司也加緊了對飛防藥劑的研發，無人機施藥勢必會成為我國農業作物生長調控和病蟲草害防控的重要方式。