植保無人機在水稻病蟲害防治應用中的對策研究

摘 要：為了深入研究無人機在水稻病蟲害防治中的規律，致力于推動無人機植保技術的不斷改進和提升，減少農藥用量，提高水稻植保質量。在鄉村振興戰略的大背景下，依托合作企業和無人機應用技術專業，以植保無人機技術為研究對象，明確研究思路，制定具體的研究對策。通過實踐探索，成功研發出適用于湖南省主要農作物水稻的高效植保無人機作業方案和植保無人機操控技術。

關鍵詞：無人機植保；水稻防治；病蟲害

中圖分類號：S635 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–00-03

我國是農業大國，各類農作物的高質量產出為國民提供了生活保障。為了提高農作物的產量，需要提高農作物的防蟲防病率，使用傳統方法進行病蟲害防治時，噴灑處的農藥只有大約1%沉積到植物靶標上，大部分農藥在地面上流失，噴灑農藥有效利用率僅為20%～30%，為了達到防治效果，必須大量噴施農藥，造成了大部分農藥浪費和環境污染[1]。

為了提高農作物的植保質量，2016年湖南省印發了《湖南省農藥使用量零增長行動實施方案》，提出了“公共植保、綠色植保、科學植保”的理念[2]。黨的十九大提出“鄉村振興戰略”“深化農業供給側結構性改革，走質量興農之路”“堅持人與自然和諧共生，走鄉村綠色發展之路”[3]。目前，我國在植保機械技術方面仍然存在較大的發展空間。數據顯示，我國植保器械中，手動施藥器械占比高達78%，中小型機動植保機械占比20%，而拖拉機配套噴霧機僅占2%。施藥方法仍然以大容量、粗放為主，然而采用先進的植保器械和低容量施藥技術可以有效減少藥液流失，提高農藥的利用率。

為了提高植保效率，我國植保技術逐漸向地面和航空植保機械方向進行研究。2017年農業農村部印發《關于開展農機購置補貼引導植保無人機規范應用試點工作的通知》，提出促進植保無人機規范應用，促進農業供給側結構性改革[5]。

湖南省地形多樣，包括山地、丘陵等復雜地形，傳統地面機械難以進行植保作業。因此，發展植保無人機技術勢在必行。植保無人機具有作業效率高、單位面積施藥液量小、無需專用起降機場、機動性強等優勢。2021年12月，農業農村部農機化司對湖南省2017年的植保無人機試點工作進行了評估，評價組對湖南省的實施情況給予了高度認可。

湖南省雖然在植保無人機技術方面已經取得了一些成果，但其在廣大的農村地區尚未得到廣泛應用，仍處于探索階段。目前，面臨著一些亟待解決的問題：首先，植保無人機價格昂貴，操作難度大，缺乏懂農業的專業操作人員；其次，缺乏針對低空低量高效施藥的配套技術，施藥參數缺乏科學依據；最后，湖南省農村田塊分散，固定翼飛機施灑農藥并不適用。

為了助推鄉村振興，婁底職業技術學院特別開設了無人機應用技術專業，于2022年下半年開始招生。致力于培養從事無人機生產、裝配調試、維護維修、無人機植保應用等多方面技能的復合型人才，同時不斷探索植保無人機的應用技術。

在鄉村振興戰略背景下，以合作企業、無人機應用技術專業為依托，以植保無人機技術為研究對象，通過實踐研究總結出適應湖南省主要農作物水稻的高效率植保無人機作業方案和植保無人機操控技術。通過研究，找出無人機植保在水稻病蟲害防治中的一般規律，以此促進無人機植保技術的改進和提高、減少植保所需藥劑的用量、提高水稻植保質量。

1 國內外研究現狀和發展動態

植保無人機主要由飛行平臺、飛控系統、噴灑系統3個部分組成。目前，植保無人機技術的研究熱點主要集中在無人機作業方案和無人機控制技術等方面。

1.1 無人機作業方案的研究現狀

無人機作業方案包括無人機飛行高度、飛行速度、噴幅寬度、噴霧流量等內容。在噴霧系統研究領域，美國在20世紀60年代率先將靜電噴霧搭載于大型有人駕駛飛機的農藥航空作業。20世紀末，Carlton獲得了航空靜電噴霧系統專利。但由于美國農藥標簽規定施藥量與靜電施藥量不一致，導致其使用成本過高，限制了該技術在美國的發展。

英國研究了轉盤式靜電噴頭，日本制作了微型錐孔旋轉噴頭、彌霧噴頭，這些科研成果均推動了靜電噴霧技術的發展。國外還開始采用CFD模擬技術建立了三維噴霧模擬并研究噴霧霧滴漂移特性。

我國靜電噴霧技術起步于20世紀70年代，研究較早的有江蘇大學、南京林業大學、中國農業大學、華南農業大學等相關科研院校，在地面植保器械靜電噴霧系統、無人機靜電噴霧系統等相關領域均有突破性的進展。

1.2 無人機控制技術的研究現狀

目前，國外針對無人機系統控制技術研究已經取得了許多成效，Johnson等提出了可靠自主控制技術；Ward提出了無人作戰飛機智能自主控制；Cheng認為模型預測控制MPC可以提高UAV自主水平；Reichard等研究了自主控制的智能態勢感知。

國內對無人機系統相關技術的研究起步較晚，主要解決了飛行控制問題，平臺的自主能力不強，其中，周銳等[6]提出了無人機分層式智能控制結構；張新國等[7]探討了不確定環境下自主飛行控制面臨的挑戰；王宏倫等[8]闡述了無人機自主飛行控制系統組成等。

總的來說，國內外已有自主控制水平普遍不高，缺乏對不確定事件的感知、判斷與處理能力，只能實現無人機系統在相對確定環境下的自主或半自主控制，目前尤其是植保無人機自主控制技術尚不成熟。

2 研究內容

湖南農村水稻病蟲害問題一直是影響其水稻產量的關鍵因素。從以往的經驗來看，常見的病害有稻瘟病、紋枯病、卷葉螟等，主要害蟲有稻飛虱、卷葉螟等。為了有效防治這些病蟲害，減少農藥殘留，團隊主要從以下2個方面進行研究：

（1）稻田對比試驗，獲得最佳植保無人機作業方案。通過湖南水稻的農藥噴灑作業試驗，深入研究植保無人機作業方案。通過比較試驗，獲取相關技術參數，總結植保無人機飛行高度、飛行速度、噴幅寬度、噴霧流量等技術參數，對病蟲害植保效率和效果的影響，從而確定適合不同情境的最佳植保無人機作業方案。通過實踐研究，獲得植保無人機技術參數選擇的數據庫。

（2）實踐研究，制定植保無人機操作規范。通過對湖南農村山地、林地等典型田地的農藥噴灑作業試驗，深入研究植保無人機操控技術，包括規劃飛行路線、自動定高、自動避障等操作技術，通過實踐研究制定植保無人機操作規范。

3 研究對策

3.1 充分調研，確定研究方案

通過對合作企業和農戶的調查研究，搜索、整理湖南省植保無人機技術應用的相關文獻，了解目前湖南省植保無人機技術應用現狀和亟須解決的問題；調查植保無人機作業方案、植保無人機操控技術在植保領域的應用情況和發展前景，通過比較研究，確定最佳研究方案。團隊通過對湖南農村典型稻田開展農藥噴灑作業試驗，比較每次試驗參數對作業效果的影響；通過多次對試驗參數的調整和試驗測試，驗證參數調整的可行性和合理性。

3.2 因地制宜，確定研究手段

本項目通過對湖南農村山地、林地等典型田地的農藥噴灑作業試驗獲取經驗數據。合作企業在植保無人機技術的研究和應用已有一定基礎，積累了豐富的經驗和現場參數，為植保無人機技術研究相關的初始條件和初始參數的確定提供了依據。植保無人機技術已經在平原地區得到了廣泛應用，效果良好。

由于湖南省田地分散，諸如山地、林地等復雜作業環境。本項目采用試驗測試法進行技術參數的分析和調整，提高植保無人機技術的適應能力。團隊主要采取以下手段進行研究：（1）設計試驗技術參數：以企業原始數據為基礎，設計多組試驗用技術參數，包括噴灑量、噴嘴型號、飛行高度、飛行速度等技術參數。（2）檢測試驗結果。在不同試驗條件下，檢測葉面上的有效沉積量，確定植保效果；檢測植保所用時間，確定植保效率。（3）綜合分析。分析技術參數對試驗結果的影響和總結研究成果。

4 研究實施

4.1 研究條件

4.1.1 試驗條件

項目負責人所在學校是湖南省示范性高職院校，其智能制造專業群為省級一流特色專業群。其中，無人機應用技術專業建設有無人機組裝與調試實訓室、無人機行業應用實訓室、無人機飛行操控實訓室，為本項目理論與實踐研究提供了實驗設備和研究平臺。

4.1.2 合作企業

合作企業為無人機應用專業合作企業，具備無人機生產、銷售、培訓、技術支撐與服務、檢測的能力；也為區域內農林作物提供病蟲害防治的專業化服務，同時運用農業大數據，為本項目提供了農業數據和理論基礎，為本項目的實踐研究提供了可靠樣本。

4.2 病蟲害分析

4.2.1 水稻病害分析

水稻的重要病害包括稻瘟病和紋枯病等，它會危害水稻的葉片、莖稈和稻穗，使水稻生長受阻，產量減少50%以上，嚴重的話還會導致水稻整株枯死，甚至顆粒無收。

4.2.2 水稻蟲害分析

水稻的主要蟲害有稻飛虱、卷葉螟等。稻飛虱主要危害水稻的葉片和莖稈，使水稻葉子干枯，稻株長不高，嚴重的話還會導致水稻整株枯死。卷葉螟會讓水稻的葉片卷起來，影響光合作用，導致水稻生長受阻，產量下降。

4.3 試驗分組與實施

團隊首先將農田按施藥方式分為五組對照（表1）。

5 研究分析與結論

團隊主要針對稻飛虱和卷葉螟進行調研和分析，分別在施藥的節點時間通過目測觀察試驗藥劑對病蟲數量的影響，從而得出相應的防治效果。

5.1 對稻飛虱的防治分析

團隊在不同組的試驗農田分別選擇采樣點10處，于施藥前3 d，施藥后3 d、7 d進行采樣。每次采樣選出采樣點2株水稻，通過拍擊稻株的方式，將稻飛虱拍落至事先準備的容器。統計掉落的稻飛虱，再計算蟲數的減退率，再用1組的蟲口減退率與其他不同對照組進行比較，通過計算校正防效，判斷無人機植保能否取得更好的防治效果[9-10]。

團隊以第1組稻飛虱的防治為案例進行分析發現，當施藥量為80%時，稻飛虱的防治效果最好，由此可以減少20%的施藥量。但通過查詢資料可知，有團隊在做無人機植保時，可以節約農藥50%，節約用水量90%。因此，下一個階段還需要進一步減少農藥用量進行試驗，以達到最佳的防治效果。

5.2 對卷葉螟的防治分析

團隊在施藥后15 d和20 d，在不同組的試驗農田分別選取100株水稻樣本，采用5點取樣法，統計束葉數，計算卷葉率。再通過統計分蘗數和綠葉數，計算保葉效果。

6 研究的創新與特色

本項目具有前瞻性，技術先進；研究成果具有應用性、可推廣性。主要有2個創新點：

第一，針對湖南農村農藥噴灑作業效率低、效果差的問題，提出了植保無人機技術應用的策略。采用植保無人機農藥噴灑試驗測試的方法，獲取植保無人機技術參數和植保成效數據；通過對不同情境下多次試驗的數據對比，分析植保無人機技術參數對植保效率和效果的影響，研究得出的基于植保無人機技術參數選擇的數字模型，該數字模型對湖南農村田地的適應性強、穩定性好、誤差小等特點，具有廣闊的應用前景。

第二，針對湖南農村植保無人機操控難、成本高的難題，提出了一些植保無人機操作規范的策略。通過對不同情境下多次試驗的數據對比分析，不斷優化參數，總結植保無人機操作規范；采用操作植保無人機規范，能提高了工作效率，降低操作成本，縮短植保項目周期，有很強的實用價值。

7 結束語

隨著無人機靜電噴霧技術和無人機控制技術的更新完善，推動了植保無人機技術向高精度、智能化方向發展，但這些研究在植保無人機領域尚未形成完整體系，仍存在大量需要突破的空間。首先，在無人機作業方案中，飛行高度、飛行速度對農藥噴施的作業實際效果影響較大，靜電噴霧技術的應用干擾因素多且復雜，因此，需要通過實踐研究獲取最佳的飛行高度、飛行速度和靜電噴霧方案；其次，市場上的植保無人機都是半自動類型的，中途返航換農藥需要手動重新設置航線，而且，植保無人機一般只能適應簡單的環境，一些山林和樹林的地方很難作業，因此，在現有作業條件下和現有的無人機控制技術的基礎上，完善無人機操控技術是另外一項課題。

參考文獻

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[10] 朱華勇，牛軼峰，沈林成，等.無人機系統自主控制技術研究現狀與發展趨勢[J].國防科技大學學報，2010，32（3）： 115-120.

基金項目：2022年湖南省教育廳科學研究項目“鄉村振興戰略下植保無人機技術在湖南農村的實踐研究”（22C1263）。

作者簡介：蔣小波（1977—），男，湖南新邵人，副教授，研究方向為無人機應用技術。