植保無人飛機研究現狀與發展趨勢

李香帥，劉曉慧，閆曉靜，袁會珠

（中國農業科學院植物保護研究所,北京 100193）

隨著科技的不斷進步和社會的不斷發展，植保無人飛機已經成為現代農業生產的重要工具之一。植保無人飛機可以通過搭載各種傳感器和設備，實現對農作物快速、準確、高效的病蟲害監測和植保作業。2014—2016年，我國植保無人飛機多處于試驗階段，其保有量不足千架，防治面積在千萬畝次左右[1]。從2016年開始，隨著我國“十三五”重點研發計劃項目的實施，我國植保無人飛機進入高速發展階段[2]。據中華人民共和國農業農村部（https://www.moa.gov.cn）最新數據顯示（圖1），我國植保無人飛機的保有數量和防治總面積從2014年開始上升，特別是從2017年起呈跳躍式上升。2021年，我國植保無人飛機保有量突破10萬架，防治面積達6 861萬hm2次，位居世界第一[3]。截至2022年底，我國植保無人飛機保有量達到15萬架，防治面積達10 400萬hm2次，接近我國總防治面積的四分之一左右，植保無人飛機的保有量和防治面積均居世界首位。

圖1 2014—2022 年我國植保無人飛機歷年保有量和防治面積

隨著植保無人飛機產品性能的提升和施藥技術的快速發展，植保無人飛機在我國快速發展并得到廣泛應用。植保無人飛機作為一種作物病蟲害防治的新型施藥工具，與其作業相關的主要因素包括植保無人飛機產品性能、防治作物病蟲害的有效性及對環境和非靶標生物和敏感作物的安全性。本文通過對國內外植保無人飛機相關專利和期刊文獻的分析，系統、定量地分析國內外植保無人飛機在產品性能和技術特點、施藥技術和風險評估方面的研究動態和熱點，并在此基礎上提出了植保無人飛機未來的研究方向，為植保無人飛機的研究和應用提供有力的支撐。

1 植保無人飛機產品性能和技術研究

植保無人飛機產品在我國的發展經歷了從航模改造階段和手動飛行到自主飛行、仿地飛行、主動避障和多機協同的階段。2016年前，我國植保無人飛機多以手動操控為主，作業質量完全取決于飛手的操控水平，病蟲害防治效果對飛手技術水平依靠度高，而且當時植保無人飛機飛手緊缺，限制了植保無人飛機防治病蟲害的大面積應用。2016年以后，以安陽全豐、廣州極飛和深圳大疆為代表的植保無人飛機生產企業積極研發新機型和無人飛機飛控系統；華南農業大學、農業農村部南京農機化研究所和中國農業大學等科研單位在植保無人飛機關鍵部件和系統方面做了大量研究工作，共同推動我國植保無人飛機向自動化和智能化方向發展。

植保無人飛機產品性能和技術研究主要包括飛行控制系統、傳感器系統、路徑規劃和避障系統；電池和充電系統；數據處理和分析系統以及安全保障系統等。首先，飛行控制系統是植保無人飛機的核心，能夠實現飛機的自動起飛、飛行、降落等操作。其次，傳感器系統能夠實現對農田的高精度測量、作物生長狀態的監測、病蟲害的識別等功能，為農業生產提供了非常重要的數據支持。路徑規劃和避障系統則能夠根據農田的地形、作物的分布等信息，規劃出最優的飛行路徑，并且能夠避免與障礙物相撞。電池和充電系統則能夠提供足夠的電力支持，使飛機能夠長時間飛行，同時具備快速充電等功能。數據處理和分析系統能夠實現對農田數據的采集、處理和分析，為農業生產提供科學依據和決策支持。最后，安全保障系統則能夠確保飛機的安全飛行。

1.1 植保無人飛機人工智能劃分體系

2013—2022年，全球申請的有關植保無人飛機專利共1 078項（圖2）。從圖2可以看出，植保無人飛機相關專利從2016年開始快速增長，在2017—2021年達到高峰期，2022年開始下降，這個趨勢也正是植保無人飛機從手動向自動和智能化發展的黃金時期。

為了更好地理解植保無人飛機的智能劃分體系，本文參考《三體智能革命》一書中提及的智能等級[4]，結合中國工程院總結出的智能制造基本范式[5]以及一些關于智能定義與分級的不同觀點[6]，經過整合之后，得出了植保無人飛機的5級智能劃分體系，并為每個級別分別命名，同時給出判斷依據（表1）。按照表1中的劃分依據，對檢索到的1 078項植保無人飛機專利進行劃分。在1 078項植保無人飛機專利中，智慧級的植保無人飛機僅占整體的0.46%（圖3）。在所有智慧級植保無人飛機中，以農業農村部南京農業機械化研究所設計研發的“多源信息融合智能決策自主飛行植保無人飛機”的人工智能等級最高，處于智慧級植保無人飛機研發上的領先地位。目前市場上普遍推廣的無人飛機如大疆（T40、T50和T25機型）、極飛（P80和P100機型）和全豐等大多處于智能級別。盡管目前市場上應用的植保無人飛機的人工智能程度已經很高，但是還有提升空間，需要相關研究機構和企業不斷提高無人飛機的技術水平和應用能力，以滿足市場需求。

表1 植保無人飛機5 級智能劃分體系表

圖3 植保無人飛機各人工智能等級占比分布圖

1.2 基于數據庫分析植保無人飛機產品性能和技術研究現狀

為了更深入了解植保無人飛機產品性能和技術的研究現狀，本文基于Web of Science Core Collection（WoSCC）科學引文索引擴展數據庫和知網數據庫，對2023年5月之前關于植保無人飛機產品性能和技術研究的文獻檢索進行分析和大數據挖掘。WoSCC是文獻計量學分析中最常用的數據庫之一，包括10 000多種高質量期刊和全面的引文記錄。此外，WoSCC文檔類型標簽已被證明比其他數據庫（如Scopus）更精確。在這部分研究中，我們對“植保無人飛機”“噴頭”“平臺”“系統”“方法”“算法”“配件”“飛控系統”“機翼”和“機架”等關鍵詞進行高級檢索，采用VOSviewer和文獻計量在線分析平臺（https://bibliometric.com/）等工具進行分析。

1.2.1 研究期刊分析

與植保無人飛機產品性能和技術相關的期刊網絡可視化如圖4所示。共有30種期刊發表了關于植保無人飛機產品性能和技術相關的原創文章。其中，《International Journal of Agricultural and Biological Engineering》中收錄10篇，Computers and Electronics in Agriculture》中收錄4篇和《Agriculture-Basel》中收錄3篇，以上是收錄相關文章最多的3種主要期刊。在前10名期刊中，《International Journal of Agricultural and Biological Engineering》所收錄文章的總引用次數最高（23次），平均每篇文章每年被引用次數最高（2.3次），表明其極具影響力。

圖4 與植保無人飛機產品性能和技術相關的期刊網絡可視化圖

1.2.2 研究國家分析

本文分析了來自15個國家或地區的研究人員，關于植保無人飛機產品性能研究相關的原創文章共有48篇。網絡可視化圖如圖5（a）所示，該圖顯示了這48篇文章的不同國家或地區的作者間合作關系；弦圖和協作網絡圖如圖5（b）所示，該圖直接顯示了國家或地區之間的協作。從中可以看出，中國在植保無人飛機產品性能和技術這一研究領域與大多數國家或地區開展了合作，這也正是中國植保無人飛機雖然起步較晚，但是卻后來者居上的原因。

圖5 與植保無人飛機產品性能和技術相關的國家網絡可視化圖（a）和國際合作網絡圖（b）

1.2.3 研究機構分析

本文對相關研究機構進行了協作網絡可視化，發現大多數機構傾向于國內合作，而不是國際合作（圖6）。68個機構共產出48篇論文，其中以中國農業大學為第一代表單位的文章最多（8篇），其次是華南農業大學（5篇）。然而值得關注的是，雖然中國農業大學的論文生產率高于華南農業大學，但是華南農業大學在植保無人飛機領域的論文總被引用次數、一作平均被引次數均高于中國農業大學。

圖6 與植保無人飛機產品性能和技術相關的研究機構網絡可視化圖

1.2.4 研究作者分析

本文分別基于知網和WoSCC對植保無人飛機性能和技術相關論文的作者進行網絡可視化分析（圖7、圖8）。在知網數據庫中，來自華南農業大學的研究人員蘭玉彬是植保無人飛機產品性能和技術相關領域發表文章最多的作者（13篇），其次為來自同一單位的研究人員漆海霞（9篇）。在WoSCC科學引文索引擴展數據庫中，共有213名研究人員為48篇關于植保無人飛機性能和技術相關的原創文章作出了貢獻。其中，華南農業大學蘭玉彬是植保無人飛機產品性能和技術相關領域發表文章最多的作者（6篇），來自中國農業大學的研究人員何雄奎是植保無人飛機產品性能和技術相關領域被引次數最多的作者（被引17次）。對相關作者的國際交流合作情況進行分析發現，中國的研究人員除了和本國的科研人員交流之外，與其他的國家的研究人員也保持著深度的交流合作。

圖7 與植保無人飛機產品性能和技術相關的作者網絡可視化圖（知網數據庫）

圖8 與植保無人飛機產品性能和技術相關的作者網絡可視化圖（WoSCC 數據庫）

1.2.5 關鍵詞分析

基于在知網數據庫以及WoSCC科學引文索引擴展數據庫中的關鍵詞，本文對植保無人飛機產品性能和技術相關的熱點關鍵詞進行了多維度檢索和分析。如圖9和10所示，在知網數據庫中，排在前列的關鍵詞包括“植保無人飛機”（22篇）、“植物保護”“植保”（9篇）、“障礙物檢測”（4篇）、“飛控系統”（5篇）、“傳感器”（3篇）、“服務平臺”（5篇）和“人工智能”（2篇）。在WoSCC科學引文索引擴展數據庫中，排在前列的關鍵詞包括“unmanned aerial vehicle”（17篇）、“design”（6篇）、“model”（4篇）和“system”（5篇）。

圖9 與植保無人飛機產品性能和技術相關的關鍵詞網絡可視化圖（知網數據庫）

圖10 與植保無人飛機產品性能和技術相關的關鍵詞網絡可視化圖（WoSCC 數據庫）

2 植保無人飛機施藥技術研究

植保無人飛機施藥技術研究主要包括飛行軌跡規劃技術[7]、噴霧系統技術[8]、傳感器技術[9]、控制系統技術[10]、安全保障技術[11]、數據處理和分析技術[12]以及智能化技術[13]等方面。飛行軌跡規劃技術是植保無人飛機施藥技術的核心，它能夠根據農田作物的分布情況、風向、風速和地形等因素，確定最優的飛行軌跡，實現精準施藥。噴霧系統技術則能夠實現高效、均勻、精準的噴霧效果，為植保施藥提供了重要支持。傳感器技術能夠實現對農田的高精度測量、作物生長狀態的監測、病蟲害的識別等功能，為施藥提供科學依據?？刂葡到y技術能夠實現對飛機的自動控制，實現精準施藥。安全保障技術則能夠確保施藥的安全性和有效性。數據處理和分析技術能夠實現對施藥數據的采集、處理和分析，為精準施藥提供科學依據和決策支持。智能化技術則能夠實現對作物的智能分析和識別，為精準施藥提供更加科學的依據。

除此之外，在田間應用過程中，大量科研協作研究與田間試驗結果證明植保無人飛機對農作物病蟲害有較好的防效。袁會珠等[1]指出，對于重要農作物病蟲害如稻縱卷葉螟、水稻紋枯病、小麥蚜蟲、玉米黏蟲等防治效果均在80%以上。近年來，植保無人飛機除了廣泛應用于小麥[14]、玉米[15]、水稻[16]和棉花[17]等大田作物外，逐步向經濟作物[18]、果樹[19]等擴展應用。在應用過程中，為了提高防治效果和農藥利用率，國內外研究者圍繞著影響霧滴沉積因素——無人飛機自身特性、作業參數、藥劑配方、環境因素展開研究。研究表明，霧滴粒徑[20]、下洗氣流[21]、作業參數[22]、環境風速[23]、作物形態[24]和噴霧助劑[25]等因素均會影響植保無人飛機施藥沉積分布特征，從而引起防治效果的變化。

因此，為了更好地了解植保無人飛機施藥技術的發展狀況，本文針對“植保無人飛機”“病蟲害”“農藥”“助劑”和“防治”等關鍵詞進行高級檢索，采用VOSviewer 和文獻計量在線分析平臺（https://bibliometric.com/）等工具進行分析。

2.1 研究期刊分析

與植保無人飛機施藥技術相關的期刊網絡可視化，如圖11所示。共有30種期刊發表了關于植保無人飛機施藥技術相關的原創文章。其中，《International Journal of Agricultural and Biological Engineering》收錄22篇，《Computers and Electronics in Agriculture》收錄11篇，《Crop Protection》中收錄8篇，以上是收錄相關文章最多的3種主要期刊。在前10名期刊中，《Precision Agriculture》所收錄文章的平均被引次數最高（6.25次）。

圖11 與植保無人飛機施藥技術相關的期刊網絡可視化圖

2.2 研究國家分析

本文分析了來自22個國家或地區的研究人員，關于植保無人飛機施藥技術研究相關的原創文章共有117篇。網絡可視化圖如圖12（a）所示，該圖顯示了這117篇文章的不同國家或地區的作者間合作關系；弦圖和協作網絡圖如圖12（b）所示，該圖直接顯示了國家或地區之間的協作，從中可以看出，中國在植保無人飛機施藥技術研究方面是國際合作最多的國家。

圖12 與植保無人飛機施藥技術相關的國家網絡可視化圖（a）和國際合作網絡圖（b）

2.3 研究機構分析

本文對相關研究機構進行了分析。如協作網絡可視化圖13所示，117篇論文的作者來自164個機構。其中，以華南農業大學為代表機構的文章最多（26篇），其次是中國農業大學（22篇），第三是國家國際合作研究中心農業航空害蟲研究中心（22篇）。

圖13 與植保無人飛機施藥技術相關的研究機構網絡可視化圖

2.4 研究作者分析

本文分別對知網和WoSCC中所檢索的植保無人飛機施藥技術相關論文的作者進行網絡可視化分析。在知網數據庫中，中國農業科學院植物保護研究所研究人員閆曉靜在影響力前十的作者中排名第一。其無論在總被引用次數、平均被引次數、一作被引次數和一作平均被引數均處于領先（圖14），在WoSCC科學引文索引擴展數據庫中，中國農業科學院植物保護研究所研究人員袁會珠在技術研究和應用推廣方面作出了卓越的貢獻（圖15）。

圖14 與植保無人飛機施藥技術相關的作者網絡可視化圖（知網數據庫）

圖15 與植保無人飛機施藥技術相關的作者網絡可視化圖（WoSCC 數據庫）

2.5 關鍵詞分析

基于知網數據庫以及WoSCC科學引文索引擴展數據庫中的關鍵詞，本文對植保無人飛機施藥技術相關的熱點關鍵詞進行了多維度檢索和分析（圖16、圖17）。在知網數據庫中，排在前列的關鍵詞包括“植保無人飛機”（163篇）、“病蟲害防治”（42篇）、“防治效果”（22篇）、“病蟲害”（19篇）、“防治”（17篇）、“統防統治”（12篇）、“霧滴沉積”（9篇）和“助劑”（7篇）。在WoSCC科學引文索引擴展數據庫中，排在前列的關鍵詞包括“deposition”（23 篇）、“pesticide application”（12 篇）、“droplet deposition”（13篇）和“parameters”（10篇）。

圖16 與植保無人飛機施藥技術相關的關鍵詞網絡可視化圖（知網數據庫）

圖17 與植保無人飛機施藥技術相關的關鍵詞網絡可視化圖（WoSCC 數據庫）

3 植保無人飛機風險評估研究

目前植保無人飛機的研究主要集中于對病蟲害的防治效果和噴霧霧滴的沉積與飄移分布情況等方面，同時圍繞農藥（藥劑劑型、助劑等）、環境（風速、溫度、濕度等）和植保無人飛機（機械自身特點、作業參數設置等）三大環節，建立起三大環節的聯系以期實現提高農藥利用率的目標，但針對植保無人飛機施藥健康風險、膳食風險和環境風險評估方面的研究較少。

在現有研究中，關于植保無人飛機施藥健康風險研究結果初步表明，植保無人飛機施藥對操作者的暴露量顯著低于背負式噴霧[26-27]，但研究結果僅評估了單一途徑的暴露風險，未綜合考慮3種暴露途徑（施藥前配藥暴露、施藥時農藥在空氣中飄移暴露和施藥后機身暴露）的累積暴露風險[3]。關于植保無人飛機施藥膳食風險研究初步表明，地面施藥方式產生的殘留水平與航空施藥方式（有人駕駛飛機）相當或比其更高[28]。關于植保無人飛機環境風險評估研究初步證明，植保無人飛機施藥可能會對周圍環境存在較大的風險。目前國內外對非靶標生物的風險評估的研究僅有一篇關于植保無人飛機噴霧飄移對蜜蜂風險評估的文章[29]。因此，今后還需加強植保無人飛機施藥風險研究，為完善現有健康風險評估模型或構建植保無人飛機施藥風險評估模型提供數據基礎。

為深入把握植保無人飛機風險評估研究的發展現狀，本文對“植保無人飛機”“飄移”“風險”“控制”和“暴露”等關鍵詞進行高級檢索，之后同樣采用VOSviewer 和文獻計量在線分析平臺（https://bibliometric.com/）等工具進行分析。

3.1 研究國家分析

本文分析了來自9個國家或地區的研究人員，關于植保無人飛機施藥技術研究相關的原創文章共有55篇。網絡可視化圖如圖18（a）所示，該圖顯示了這55篇文章的不同國家或地區的作者間合作關系；弦圖和協作網絡圖如圖18（b）所示，該圖顯示了國家或地區之間的協作。從中可以看出，植保無人飛機風險評估研究領域的國家總數，相比于試驗技術研究和植保無人飛機產品性能和技術研究明顯減少，這表明有些國家還處在植保無人飛機的發展階段，還沒有意識到植保無人飛機施藥風險研究的重要性。

圖18 與植保無人飛機風險評估相關的國家網絡可視化(a)和國際合作網絡圖(b)

3.2 研究作者分析

本文分別對基于知網和WoSCC的植保無人飛機性能和技術相關論文的作者進行網絡可視化分析（圖19、圖20）。根據知網數據庫分析顯示，在植保無人飛機風險評估領域主要以華南農業大學蘭玉彬團隊（20篇）和中國農業科學院植物保護研究所袁會珠團隊（13篇）為主。根據WoSCC科學引文索引擴展數據庫顯示，在無人飛機風險評估領域依舊主要以華南農業大學蘭玉彬團隊（7篇）和中國農業科學院植物保護研究所袁會珠團隊（4篇）為主。

圖19 與植保無人飛機風險評估相關的作者網絡可視化圖（知網數據庫）

圖20 與植保無人飛機風險評估相關的作者網絡可視化圖（WoSCC 數據庫）

3.3 關鍵詞分析

基于知網數據庫以及WoSCC科學引文索引擴展數據庫，本文對植保無人飛機風險評估相關的熱點關鍵詞進行了多維度檢索和分析（圖21、圖22）。在知網數據庫中，排在前列的關鍵詞包括“植保無人飛機”（29篇）、“霧滴飄移”（10篇）、“飄移”（6篇）、“霧滴粒徑”（4篇）、“噴霧”（3篇）、“助劑”（3篇）、“數值模擬”（3篇）和“飄移潛在指數”（2篇）等。在WoSCC科學引文索引擴展數據庫中，排在前列的關鍵詞包括“drift”（22篇）、“deposition”（19篇）、“model”（13篇）、“parameters”（11篇）和“numerical-simulation”（8篇）等。

圖21 與植保無人飛機風險評估相關的關鍵詞網絡可視化圖（知網數據庫）

圖22 與植保無人飛機風險評估相關的關鍵詞網絡可視化圖（WoSCC 數據庫）

4 植保無人飛機研究方向與趨勢

基于上述對植保無人飛機人工智能程度的分類和總結，以及對植保無人飛機產品性能和技術、施藥技術和風險評估等研究的文獻計量學檢索和分析，本文對植保無人飛機的研究方向和趨勢主要從以下3個方面進行總結展望。

4.1 植保無人飛機產品性能和技術展望

植保無人飛機產品性能和技術是未來的研究重點。隨著社會經濟的快速發展，人們對食品品質和安全的要求越來越高。因此，植保無人飛機需要具備更高的精度、更強的適應性和可靠性。未來的研究方向應該關注無人飛機的導航、控制、通信和傳感器技術，以提高其自主性和智能化程度。

4.2 植保無人飛機施藥技術展望

隨著農業生產的不斷發展，農藥的使用量也在逐年增加，這對環境和人類健康造成了嚴重的影響。植保無人飛機的施藥技術可以實現精準施藥，減少農藥的使用量，降低對環境和人類的危害。未來的研究方向應該著重關注提高植保無人飛機的防治效果，創新和改進病蟲害防治技術，以及將“統防統治”的理念應用到植保無人飛機施藥技術中。

4.3 植保無人飛機風險評估展望

在植保無人飛機的施藥過程中，施藥帶來的風險直接關乎環境和人類安全性問題，是植保無人飛機發展的“卡脖子”難題。因此，未來的植保無人飛機風險評估應該關注以下幾個方面：

（1）關注霧滴飄移和飄移潛在指數分析。通過對植保無人飛機施藥過程中的霧滴飄移情況進行分析，可以評估其對周圍環境和人類的潛在影響。同時，通過計算飄移潛在指數，可以預測植保無人飛機施藥過程中的霧滴飄移范圍，為風險評估提供更加科學的依據。

（2）關注“助劑”對飄移的影響。助劑的使用對噴霧霧滴分布情況有重要的影響，由于植保無人飛機飛行高度高，作業速度快，噴霧霧滴細，藥液濃度高等特點，極易受到氣象條件特別是風的影響，帶來較高的飄移風險。因此，未來的研究方向應該關注飛防助劑的選擇與科學使用，以期提高植保無人飛機噴霧霧滴在靶標區的沉積分布并減少其在非靶標區的沉積分布，最終達到提高防治效果和減少對非靶標生物的風險。

（3）關注數值模擬和模型構建技術在飄移風險評估中的應用。數值模擬技術可以模擬植保無人飛機施藥過程中的霧滴飄移情況，為飄移風險評估提供更加準確的預測和分析。

綜上所述，植保無人飛機作為一種高效、精準、環保的農業生產工具，未來的研究方向應該關注產品性能和技術研究、施藥技術和施藥風險評估深層研究，在此基礎上應將三方面緊密結合起來，推動植保無人飛機向更安全、更精準、更綠色化的方向前進，不斷提高植保無人飛機的施藥技術水平和施藥安全性，更好地服務于現代農業生產，實現農業生產的可持續發展。