農業植保無人機應用效果研究

摘 要：植保無人機的出現顯著提高了農藥和水資源的利用效率，減少了化學農藥的使用，降低了農業生產成本，其便捷省力的特點對于我國農村勞動力短缺與人口老齡化的解決有著極大的意義。作為農業現代化的重要工具，植保無人機的應用價值不僅體現在農業生產上，其綠色化成效對全球農業可持續發展同樣貢獻巨大。通過分析我國植保無人機基本概況和農村農業施藥方式的應用現狀，結合圖像分割技術、遠程傳輸技術、圖像識別算法等，設計出了“全天候、高效率、高準度、低能耗”的害蟲識別消殺一體化無人機系統，并驗證了植保無人機的應用效果較好，可以減少防治藥劑的用量，提高作業效率。

關鍵詞：農業植保無人機；生產成本；規模化；綠色化

中圖分類號：S252.3 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–00-03

作為一種先進的農業航空技術，植保無人機以其高效、精準、環保的特點，正改變著傳統農業的植保作業模式。通過使用無人機搭載的傳感器和圖像處理技術，能夠實時監控農田的生長狀況和病蟲害情況，為農業生產提供精準的數據支持，從而實現精確施肥和精準噴藥。植保無人機不僅顯著降低了化學農藥的使用量，減少了環境污染，還提高了農藥的利用效率，避免了藥劑浪費。

1 我國農業植保無人機基本概況

1.1 大規模應用

植保無人機可以輕松覆蓋大面積的農田，相較于傳統的植保方法如人工背負式噴霧器，無人機大幅減少了對人力的依賴和整體作業的時間消耗。實際應用效果顯示，植保無人機的噴灑效率是傳統手工噴灑的30倍以上，不僅提高了作業效率，還顯著降低了勞動成本。

1.2 環保和可持續發展

植保無人機配備高精度的GPS和先進的傳感器，能夠精確控制藥劑的使用量和噴灑位置，顯著減少農藥和化肥的使用量，這不僅減少了化學物質對環境的污染，還減少了農作物的藥物殘留。

1.3 技術創新

隨著人工智能、機器學習和圖像處理技術的快速發展，植保無人機的性能和功能不斷提升。例如，通過配備實時圖像識別技術，無人機可以在飛行中即時識別病蟲害種類，自動調整藥劑類型和噴灑量，這些技術創新極大地提高了植保無人機的智能化水平和作業準確性。

1.4 政策支持

隨著政策的扶持和市場需求的增加，植保無人機的市場規模持續擴大。2017年以來，農業農村部通過實施農機購置補貼政策，引導無人機的規范應用，無人機的年銷量從2017年的不足1 000架增至2020年的1.53萬架，市場規模達到25億元，同比增長44.5%，年作業面積近0.2億 hm2。

2 農村農業施藥方式的應用現狀

第一，施藥器械落后，農藥利用率不高。在農村地區，大部分農民仍采用背負式噴霧器，該施藥模式平均作業時間長，作業效率低于植保無人機作業。研究數據顯示，植保無人機作業效率是電動背負式噴霧器作業效率的23.7倍。已有研究表明傳統除蟲方式的農藥有效附著率僅不到10%，這表明有大量浪費的農藥進入分作業環境，在污染環境的同時也增加了生產成本。

第二，農藥殘留超標，生產中毒問題時有發生。由于利用率低，治理效果不佳，農民為避免蟲害的發生不得不重復噴灑，形成惡性循環，出現了不斷重復大量噴灑農藥致使莊稼農藥殘存率超標的現象。聯合國統計顯示，我國每年有價值74億美元的出口商品為此受到影響。此外，我國每年農忙正值夏季，農民衣衫單薄，若不做好有效防護，霧化農藥極易進入農民的體內，危害農民身體健康。

第三，土地流轉，農村人口老齡化對植保無人需求巨大。當前，我國老人規模不斷擴大，農業方面出現勞動力減少等問題。土地流轉政策的出臺，對于土地承包大戶而言，招募大量的人工作業無疑會增加用工成本，也會出現工人難以招募的情況。而植保無人機高效集約成本低的優點順應了該趨勢，有效緩解了勞動力不足的問題。通過采取植保專業技術隊伍帶動農民的方式，充分挖掘農業植保技術的價值，促進農業生產，帶動植保相關行業的發展。

3 農業植保無人機帶來的效益

3.1 經濟成本方面

在經濟成本方面，通過農業行業觀察調研發現，相較于傳統人工防治方法，植保無人機的噴灑效率是傳統人工的15～80倍，農藥使用量、用水量分別比傳統人工至少節約50%和90%。植保無人機通過搭載傳感器和攝像頭，實時監測農田狀況，并精確施藥、施肥、灌溉，以應對病蟲害、雜草等問題，在節約成本的同時保證作物的產量。以日照市為例，在應用無人機后，其用藥效率高于常規作業數值10倍以上，同時節約近50%的農藥使用量、90%的用水量，防治面積在3.33 hm2以上，平均作業成本10元/667 m2左右[1]。

3.2 施藥效率方面

在施藥效率方面，無人機能夠快速覆蓋大片農田，并在發現病蟲害或其他問題時迅速采取行動，防止問題擴大，保護作物生長環境，從而提高產量。研究表明，植保無人機作業效率為傳統電動噴霧器的23.7倍，作業成本大幅度減少，在規模化作業方面發展前景良好[2]。以大疆GM-1為例，每次作業面積為

1 hm2，效率為人工作業的40～60倍，單次作業防治面積擴大，農藥利用率提高，農藥使用成本降低，生產效率提高，使農民收入有效增長。

3.3 生態農業方面

第一，為了減少蟲害，傳統的農業植保方法常大規模噴灑農藥，導致農藥浪費，且農藥具有毒性，給土壤、水資源等環境帶來不良影響，同時還需要大量人力物力進行噴施，生產成本較高。植保無人機通過精確定位和智能化控制，對指定區域進行精準的噴灑操作，顯著減少了農藥的消耗和浪費，也降低了農業生產對環境造成的污染。因此，植保無人機是現代農業發展過程中不可或缺的技術支撐。根據相關研究，使用無人機進行農藥噴灑的效率可以超過90%，表明該技術明顯優于傳統方法[3]。

第二，無人機具備搭載多種設備的能力，可實時監控和預警病蟲害，協助農民及時實施相應的預防措施，以減輕病蟲害對農作物造成的損害，更好地保護生態環境[4]。無人機具有作業效率高、成本低等優勢，能夠有效緩解當前我國農村勞動力不足的問題。利用無人機開展作業，能夠精準地控制農藥的使用量和適用范圍，不需要大量人員操作，有效降低勞動力成本，減輕勞動強度。

農業的可持續發展依賴于科技創新，在促進農業高質量發展的過程中，科技水平的不斷提高促使植保無人機迅速發展，為農業生產可持續發展提供了強大的支撐，取得了顯著的成效。

3.4 低碳環保方面

作為國民經濟的重要組成部分，農業也面臨著巨大的轉型壓力。傳統的農業生產方式往往伴隨著高能耗、高排放等問題，而植保無人機的出現，為農業低碳革命提供了新的契機。

在減少能源方面，相較于傳統農業機械，植保無人機具有更低的能耗。傳統的農業機械在作業過程中需要大量的燃油消耗，植保無人機則采用電力驅動，具有更低的能耗和排放，還可以在短時間內完成大面積的農田作業，進一步提高能源利用效率。

在推動低碳環保方面，植保無人機發揮著重要作用。通過精準施藥、施肥等作業，植保無人機可以減少化學藥劑的過量使用，降低農業生產的碳排放。并且植保無人機在作業過程中無需燃油消耗，減少了溫室氣體的排放，同時實現農田的實時監測和數據分析，為農業生產提供科學的決策支持，推動農業向更加環保、可持續的方向發展。

作為一種先進的農業航空技術，植保無人機具有巨大的潛力和優勢，通過減少能源消耗、推動低碳環保等方式，為農業低碳革命提供了新的契機。

4 農業植保無人機的設計及其應用效果

項目組推動設計的新型植保無人機將圖像分割技術、遠程傳輸技術、圖像識別算法等相結合，設計出“全天候、高效率、高準度、低能耗”的害蟲識別消殺一體化無人機系統。該系統采用形態學結合算法，有效地將害蟲與背景分離，該系統采用卷積神經網絡中的VGG16模型和SIM900A遠程傳輸技術。

4.1 農業植保無人機的設計

4.1.1 圖像分割技術

應用算法：結合數學形態學的方法，該系統有效地將害蟲圖像與背景分離，這一步驟是害蟲識別過程中的關鍵，確保了后續處理的準確性。

優化處理：采用自適應閾值處理技術優化圖像分割結果，減少環境因素如光照和陰影對害蟲識別的干擾。

4.1.2 遠程傳輸技術

核心技術：使用SIM900A模塊，支持GPRS網絡連接，保證了數據在大面積農田中的長距離實時傳輸，極大地減少了數據丟失問題。

網絡穩定性：系統具備自動重連功能，即使在復雜的農田環境中通信中斷，也能快速恢復連接，保證作業的連續性。

4.1.3 圖像識別算法

深度學習模型：采用卷積神經網絡中的VGG16模型，這一模型已廣泛應用于圖像識別領域，特別適合用于處理農業害蟲圖像的識別問題。

算法優勢：VGG16模型因其結構簡潔且深度適中，使得識別過程既高效又準確，能夠處理各種復雜的害蟲識別場景。

4.1.4 系統特點與成本效益

全天候操作：系統能滿足各種氣候條件下的操作需求，無論是陰雨天還是晴朗天氣，均能穩定工作。

高效率與低能耗：優化的飛行路徑和智能化的作業計劃大幅提高了作業效率，同時系統的低能耗設計減少了運行成本。

經濟性：與傳統的人工噴灑相比，無人機的使用大幅度降低了人工成本和時間成本，農藥使用的精準性也顯著減少了農藥的總體使用量，經濟效益顯著提高。

環境影響：精確控制的噴灑量和精準的作業區域定位，顯著減輕了環境負擔，符合當前農業可持續發展的需求。

4.2 應用效果

項目組采用卷積神經網絡中的VGG16模型和圖像分割技術識別農業害蟲，并根據無人機噴灑農藥的特點，使用專門設計的高濃縮劑型農藥，用量少、顆粒細，相較于人工作業可大幅度減少田間病蟲害防治藥劑的用量。

在小麥赤霉病防治的植保無人機與傳統施藥機械效果的田間比較試驗中，無人機的病指防效達到87.9%，與效果最好的背負式電動噴霧器相比沒有顯著差異；通過空白對照，發現無人機處理小麥的產量增幅較背負式電動噴霧器處理減少了1.91個百分點，但其機械效率是背負式電動噴霧器的19倍，成本降低了90.24%[5]。在水稻二化螟和紋枯病防治過程中，與傳統防治方式相比，無人機在防治效果相當的情況下能減少10%的藥劑使用量，節水率高達98%以上，有效解決了農藥造成的環境污染問題[6]。

同時，配備了害蟲識別消殺一體化無人機系統的植保無人機藥劑使用量可縮減至原藥劑使用量的85%，大幅度減少了用藥成本，提高了用藥效率。總體而言，

無人機應用的優勢顯著，主要體現在低空低容量噴霧、精準靶向噴灑，避免了農藥漂移和流失問題出現，在提高防治效果和效率方面具有顯著價值。

5 農業植保無人機應用的市場前景

植保無人機應用的市場前景十分廣闊，截至目前，植保無人機應用的市場規模已經達到數十億美元。隨著植保無人機技術的不斷成熟和市場需求的增長，預計該市場規模將繼續擴大[7]。經行業分析和市場研究機構的預測，未來幾年內，植保無人機市場有望繼續保持穩健增長，復合年增長率（CAGR）可能超過10%。2019年，中國植保無人機市場規模約為46.60億元；2020年，受5G應用和無人機技術革新等因素的影響，植保無人機的市場規模增至67.9億元。

多年來，我國植保無人機保有量持續增加。據統計，2016年植保無人機保有量為6 500架，而截至2019年底，我國已經生產170多種植保無人機，保有量超過5.5萬架，2020年我國植保無人機的數量大幅度增加至10萬架。

放眼國內外市場， 中國是全球最大的農業國之一，擁有廣闊的農田面積和龐大的農業生產基地。隨著農業現代化和智能化水平的提高，農業生產對高效、精準、綠色的農業植保技術的需求不斷增長。許多國家和地區也面臨著類似中國的農業現代化和智能化轉型的需求，因此，農業植保無人機技術具有較強的國際市場拓展潛力。同時，國際市場競爭激烈，來自美國、歐洲、日本等發達國家的企業也在積極布局農業植保無人機市場。

6 結束語

植保無人機技術的發展為現代農業帶來了革命性的進步，通過開展高效率的植保作業，顯著提高了農藥和水資源的使用效率，減少了對環境的影響。還通過精確控制，減少了農業生產化學藥品的使用，保護了農業生態環境，這種資源的高效利用對于資源保護和成本控制至關重要。此外，無人機的應用大幅提高了作業效率，降低了農民的勞動強度，使得農業管理更加科學和精細。隨著技術的進一步成熟與市場的擴展，植保無人機將更有效地促進農業精準化、智能化和綠色化發展，為全球農業可持續發展貢獻重要力量。

參考文獻

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[7] 任震宇，楊雨濤，彭世杰.農業植保無人機發展現狀及分析[J].智慧農業導刊，2021，1（6）：26-29.