我國(guó)農(nóng)用植保無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與前景分析

尚春雨　蔡建法　黃思健

摘要受制于特殊的土地資源類型和土地經(jīng)營(yíng)模式，我國(guó)植保行業(yè)一直處于嚴(yán)重依賴人力、缺少先進(jìn)機(jī)械的落后局面。因此，農(nóng)用植保無人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。簡(jiǎn)要介紹植保無人機(jī)及其在植保作業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，指出當(dāng)前我國(guó)植保無人機(jī)應(yīng)用推廣所面臨的問題，同時(shí)提出相關(guān)應(yīng)用推廣的幾點(diǎn)建議，助力我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

關(guān)鍵詞植保；無人機(jī)；農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

中圖分類號(hào)S252+.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）30-0193-03

AbstractUnder the special land resource type and land management mode， the plant protection industry in our country has been in a backward situation which is heavily dependent on manpower and lacks advanced machinery. Therefore， the agricultural plant protection unmanned aerial vehicle （UAV） emerges as the times require. This paper briefly introduced the protection of the UAV and its advantages in plant protection work， it pointed out that China's protection of UAV application problems， and put forward some suggestions to promote the application of the relevant power， China's agricultural modernization.

Key wordsPlant protection；Unmanned aerial vehicle （UAV）；Agricultural modernization

農(nóng)用植保無人機(jī)是一類用于農(nóng)林植物監(jiān)測(cè)與保護(hù)作業(yè)的無人駕駛飛行器的總稱，其通過地面遠(yuǎn)程飛控系統(tǒng)配合自身搭載的GPS自主導(dǎo)航系統(tǒng)完成固定的植保作業(yè)流程[1]。相較于傳統(tǒng)植保機(jī)械，農(nóng)用植保無人機(jī)自身具有體積小、重量輕、運(yùn)輸方便、操控靈活等特點(diǎn)；在植保作業(yè)方面，其更加精準(zhǔn)、高效、環(huán)保、智能；在適應(yīng)性方面，其對(duì)不同地勢(shì)、不同作物均具有更佳的適用性。因此，農(nóng)用植保無人機(jī)在植保領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1農(nóng)用植保無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)

1.1安全性高

人工噴灑農(nóng)藥對(duì)做業(yè)人員的危害性較大。據(jù)中國(guó)植保咨詢網(wǎng)報(bào)道，我國(guó)每年農(nóng)藥中毒人數(shù)有10萬之眾，致死率約20%[2]。而植保無人機(jī)可以有效規(guī)避此類問題，其通過遠(yuǎn)距離遙控操作進(jìn)行噴灑農(nóng)藥作業(yè)，避免了作業(yè)人員和農(nóng)藥的直接接觸，保障了噴灑作業(yè)的安全。

1.2效率高

現(xiàn)有植保無人機(jī)1 h可以完成8～10 hm2的農(nóng)藥噴灑作業(yè)，其效率要比傳統(tǒng)作業(yè)高出至少60倍[3]。另外，植保無人機(jī)作業(yè)高度稍高于作物冠層，旋翼產(chǎn)生的向下高速氣流又加速藥液形成氣霧流，兩者結(jié)合致使藥液霧滴對(duì)農(nóng)作物的穿透性增加，有效降低藥液飄失，藥液下沉量和覆蓋率也要好于傳統(tǒng)植保機(jī)械[4]。因而作業(yè)效果優(yōu)于傳統(tǒng)植保機(jī)械，并能有效避免農(nóng)藥對(duì)土壤的污染。

1.3節(jié)約資源，降低成本

農(nóng)用植保無人機(jī)采用噴霧噴灑方式，以現(xiàn)有技術(shù)可以節(jié)約50%的農(nóng)藥用量、90%的用水量，有效降低了資源成本[5]。而且農(nóng)用植保無人機(jī)折舊率低、維修簡(jiǎn)便、能源消耗量小，電動(dòng)植保無人機(jī)更是順應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的要求。

1.4自主導(dǎo)航作業(yè)

農(nóng)用植保無人機(jī)采用遠(yuǎn)距離遙控和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)，作業(yè)環(huán)境不受空間條件限制。在進(jìn)行植保作業(yè)時(shí)只需將提前收集好的農(nóng)作物的地理坐標(biāo)制作成最適航線，接著把最適路線輸入到地面站的內(nèi)部控制系統(tǒng)中，地面控制系統(tǒng)便會(huì)以此時(shí)時(shí)向植保無人機(jī)傳送指令，自主完成植保作業(yè)，完成之后自動(dòng)返回[6]。

1.5適應(yīng)性好

植保無人機(jī)可短距離垂直起降，不受地形限制，特別適合我國(guó)這種多地貌、以小田為主要經(jīng)營(yíng)模式的國(guó)情。同時(shí)，植保無人機(jī)的運(yùn)行空間決定了其不受作物長(zhǎng)勢(shì)限制，對(duì)于大田、水田、山林、果園等不同地勢(shì)的不同作物都具有良好的適應(yīng)性。

1.6作物損傷小

作物與植保無人機(jī)之間沒有直接的物理接觸，避免了像傳統(tǒng)植保機(jī)械對(duì)農(nóng)作物的碾壓、對(duì)土壤的暴力破壞，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響小。

2農(nóng)用植保無人機(jī)的簡(jiǎn)介

2.1農(nóng)用植保無人機(jī)分類

農(nóng)用植保無人機(jī)種類較多，分類方法也較多，其中以動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)型結(jié)構(gòu)做為主要分類依據(jù)的分類方法較為常見。

按動(dòng)力劃分可分為油動(dòng)植保無人機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置）、電動(dòng)植保無人機(jī)（電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置）[7]。

按機(jī)型結(jié)構(gòu)劃分可分為固定翼植保無人機(jī)、單旋翼植保無人機(jī)、多旋翼植保無人機(jī)[7]。

固定翼植保無人機(jī)機(jī)因具備大載量、快速飛行、高效作業(yè)等能力，從而決定其能搭載大型設(shè)備進(jìn)行農(nóng)田信息采集和遙感。作業(yè)時(shí)一般在距離作物頂端5～7 m的空域進(jìn)行超低空飛行，由于固定翼植保無人機(jī)對(duì)作業(yè)區(qū)域的地形地勢(shì)有較高的要求，所以多用于開闊的大田植保作業(yè)。

單旋翼和多旋翼植保無人機(jī)在體積和載重方面雖弱于固定翼植保無人機(jī)，但是操縱更加靈活，作業(yè)效率更高，對(duì)較為分散的小田作業(yè)有著完美的適應(yīng)能力，尤其適合我國(guó)這種人多地少、土地相對(duì)分散、地勢(shì)地貌差異較大的農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀[8]。

2.2農(nóng)用植保無人機(jī)基本構(gòu)造

無人機(jī)由飛行控制系統(tǒng)（動(dòng)力、GPS、通信）、任務(wù)載荷系統(tǒng)（傳感器、外掛設(shè)備等）與地面控制系統(tǒng)（遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、監(jiān)視設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈等）構(gòu)成，使用不同的任務(wù)載荷可以執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)[9]。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)則是在無人機(jī)的基礎(chǔ)上搭載農(nóng)藥化肥等農(nóng)業(yè)專用任務(wù)載荷，主要應(yīng)用在農(nóng)作物保護(hù)（噴藥施肥）以及農(nóng)作物生理監(jiān)測(cè)（病蟲害、長(zhǎng)勢(shì)等）?，F(xiàn)有主流農(nóng)用植保無人機(jī)由以下系統(tǒng)和任務(wù)載荷構(gòu)成：①GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。主要用于確定飛行作業(yè)范圍及路線，并且通過圖像識(shí)別分析系統(tǒng)記錄作業(yè)范圍內(nèi)地形地貌特征，匹配飛手輸入的衛(wèi)星圖像進(jìn)行自主飛行作業(yè)。②噴灑載荷?？捎糜陟o電噴灑、連續(xù)噴灑。③圖像識(shí)別裝置。用于識(shí)別地形地貌，監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)等。④氣力授粉裝置。旋翼可將垂直風(fēng)向變?yōu)樗斤L(fēng)向，進(jìn)而提高授粉效率和效果。⑤伸縮裝置。通過調(diào)節(jié)噴霧桿、攝像頭方向以及授粉風(fēng)筒的高度來實(shí)現(xiàn)精確作業(yè)。⑥增穩(wěn)裝置。根據(jù)飛行姿態(tài)調(diào)整噴嘴方向。⑦防顛簸噴灑裝置。利用豎直方槽結(jié)構(gòu)原理，基本解決無人機(jī)因藥液晃動(dòng)而產(chǎn)生的機(jī)身無法穩(wěn)定問題。下面通過無錫漢和航空主打產(chǎn)品CD-15的技術(shù)參數(shù)具體了解農(nóng)用植保無人機(jī)（表1）。

2.3作業(yè)流程

漢和CD-15植保無人機(jī)的作業(yè)流程見圖1。

2.4收益分析

作業(yè)收益是指農(nóng)用植保無人機(jī)相對(duì)其他地面植保機(jī)械的比例效益，比例效益取決于植保無人機(jī)的性能、做物種類及作業(yè)環(huán)境、類型[10]。該研究以漢和航空推出的CD-15型油動(dòng)植保無人機(jī)為例，來說明農(nóng)用植保無人機(jī)直接和間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值。漢和CD-15農(nóng)藥噴灑植保無人機(jī)作為漢和CD-10的升級(jí)換代產(chǎn)品，其載荷量由10 kg提升至15 kg，售價(jià)約為25萬元[11]。漢和CD-15農(nóng)藥噴灑植保無人機(jī)在各種條件都良好的情況下工作12～15 min可噴灑1.33～2.00 hm2地，每1 h大約能夠噴灑6.67 hm2地，假設(shè)其每天工作6 h，有效作業(yè)時(shí)間為4 h，則其每日噴灑面積可達(dá)26.67 hm2地。按225元/hm2計(jì)算，由于其飛行成本主要為油耗（7.5元/hm2），因而其可實(shí)現(xiàn)217.5元/hm2，每日可實(shí)現(xiàn)5 820元的潛在收入，其投資回收期約為43 d[12]。而若使用手動(dòng)背負(fù)式噴霧器完成相同的作業(yè)量，則大致需要27人（平均一人一天只能噴灑1 hm2）。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化加快，人口紅利快速消失，農(nóng)用植保無人機(jī)的大規(guī)模使用更能體現(xiàn)一種社會(huì)效益，是一種間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，漢和CD-15型農(nóng)用植保無人機(jī)加掛其他任務(wù)載荷可以用于農(nóng)業(yè)信息收集，在未來以數(shù)據(jù)信息為王的時(shí)代，未來農(nóng)業(yè)信息的價(jià)值要高于現(xiàn)有植保作業(yè)價(jià)值。總體來說，農(nóng)用植保無人機(jī)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有農(nóng)用植保機(jī)械。

3農(nóng)用植保無人機(jī)發(fā)展前景與展望

3.1我國(guó)農(nóng)用植保無人機(jī)將快速發(fā)展的幾大因素

3.1.1農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，植保機(jī)械化率有望提升。

從宏觀層面來講，人口結(jié)構(gòu)的變化和遷移以及農(nóng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步是引發(fā)農(nóng)業(yè)逐步升級(jí)的根本原因。

據(jù)土流網(wǎng)《中國(guó)土地流轉(zhuǎn)市場(chǎng)研究報(bào)告（2010—2014）年》顯示，我國(guó)土地流轉(zhuǎn)總體呈現(xiàn)加快態(tài)勢(shì)，土地向規(guī)模經(jīng)營(yíng)者集中，人口向城鎮(zhèn)集中，農(nóng)村勞力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，相應(yīng)從事農(nóng)業(yè)的人口急劇減少[13]。此外，由于農(nóng)活繁重累人，多數(shù)青年人也不愿從事農(nóng)業(yè)活動(dòng)。這直接導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)農(nóng)村勞動(dòng)力逐步減少、在農(nóng)忙時(shí)節(jié)相對(duì)緊缺的現(xiàn)狀。

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化率已上升至較高水平，但植保環(huán)節(jié)機(jī)械化率低。農(nóng)機(jī)的規(guī)?；褂每梢源蠓染徑廪r(nóng)村勞動(dòng)力緊缺的情況，也能夠大幅度提升農(nóng)活的作業(yè)效率。截至2014年，國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化率已達(dá)到61%，具體來看，農(nóng)機(jī)以實(shí)際耕地、播種和收割三大功能為主，而植保環(huán)節(jié)的機(jī)械化率則非常低[14]。

3.1.2植保環(huán)節(jié)自動(dòng)化是大勢(shì)所趨，植保無人機(jī)是最佳選擇。

農(nóng)業(yè)植保關(guān)系到糧食安全、豐產(chǎn)豐收，因而具有十分重要的作用。目前國(guó)內(nèi)植保作業(yè)以人工加手動(dòng)機(jī)械為主。而近年來，農(nóng)村勞動(dòng)力的短缺使得植保工作的成本快速提升，國(guó)內(nèi)多地都面臨著高薪卻招聘不到人的情況。因?yàn)槲覈?guó)特殊的土地資源類型和土地經(jīng)營(yíng)模式，植保環(huán)節(jié)是大型機(jī)械無法解決的痛點(diǎn)。而農(nóng)用植保無人機(jī)不受地形地勢(shì)、作物種類、長(zhǎng)勢(shì)等因素的限制，有效解決作業(yè)難題，是未來農(nóng)業(yè)植保的較佳選擇。

3.1.3政策支持力度有望加大，農(nóng)用植保無人機(jī)將進(jìn)入快速應(yīng)用期。

土地流轉(zhuǎn)政策推行，未來農(nóng)業(yè)逐步走向集約化生產(chǎn)。改革開放后我國(guó)政府一直貫徹執(zhí)行聯(lián)產(chǎn)承包貴任制，土地分家到戶承包種植，這在很大程度上影響了農(nóng)機(jī)大面積作業(yè)的能力和效率。2014年11月，中央印發(fā)《關(guān)于引導(dǎo)農(nóng)村土地經(jīng)營(yíng)權(quán)有序流轉(zhuǎn)發(fā)展適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的意見》，對(duì)流轉(zhuǎn)主體、流轉(zhuǎn)方式、流轉(zhuǎn)合同、流轉(zhuǎn)管理等做了規(guī)定和說明[15]。2013年中央一號(hào)文件提出穩(wěn)定農(nóng)村土地承包關(guān)系，堅(jiān)持依法自愿有償原則引導(dǎo)農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)有序流轉(zhuǎn)，鼓勵(lì)和支持承包土地向?qū)I(yè)大戶、家庭農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)民合作社流轉(zhuǎn)，高效提升農(nóng)戶集約經(jīng)營(yíng)水平。近年來，我國(guó)土地流轉(zhuǎn)面積整體呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，截至2014 年底，國(guó)內(nèi)土地流轉(zhuǎn)面積達(dá)26.87億hm2，占家庭承包經(jīng)營(yíng)耕地面積的30.40%。預(yù)計(jì)“十三五”期間，土地流轉(zhuǎn)推進(jìn)仍將保持較快速度，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將逐步走向集約化、現(xiàn)代化。

農(nóng)業(yè)部頒布農(nóng)藥使用零增長(zhǎng)方案，催生新的植保需求。2015年2月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《制定2020年農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，認(rèn)為國(guó)內(nèi)農(nóng)藥過量使用的現(xiàn)狀有較大的危害，提出綠色防控、統(tǒng)防統(tǒng)治和科學(xué)用藥三大目標(biāo)[16]。因地制宜推廣包括高效常溫?zé)熿F機(jī)、自走式噴桿噴霧機(jī)、植保無人機(jī)、直升機(jī)、固定翼飛機(jī)等在內(nèi)的現(xiàn)代植保機(jī)械，采用低容量噴霧、靜電噴霧等先進(jìn)施藥技術(shù)，提高噴霧準(zhǔn)確性，降低飄移損失，提高農(nóng)藥利用率。

農(nóng)用植保無人機(jī)相關(guān)補(bǔ)貼政策逐步推出，“國(guó)補(bǔ)”有望推出。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣與國(guó)家相關(guān)補(bǔ)貼政策的大力推行有密不可分的關(guān)系，對(duì)于植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)而言，政策補(bǔ)貼的全面推行無疑將推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。2014年，中央一號(hào)文件提出了要“加快農(nóng)用航空建設(shè)”，標(biāo)志著國(guó)家相關(guān)部門開始重視植保產(chǎn)業(yè)[17]。 各地方政府也陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策支持植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，例如，河南省財(cái)政撥出專項(xiàng)資金用于無人機(jī)的購(gòu)買補(bǔ)貼，扣除1/3省財(cái)政專項(xiàng)資金補(bǔ)貼和1/3農(nóng)機(jī)購(gòu)買補(bǔ)貼后，用戶僅用1/3售價(jià)的錢就可以購(gòu)買植保無人機(jī)。另外，像湖北、湖南、福建、寧波、新疆等地也相繼出臺(tái)了相關(guān)的政策補(bǔ)貼[18]。

3.2建議

我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是其根本，加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、全系機(jī)械化是發(fā)展我國(guó)農(nóng)業(yè)的首要任務(wù)，而植保環(huán)節(jié)先進(jìn)機(jī)械的缺失制約了其發(fā)展。大力推廣應(yīng)用農(nóng)用植保無人機(jī)是解決現(xiàn)有問題的優(yōu)先選項(xiàng)，面對(duì)現(xiàn)有農(nóng)用植保無人機(jī)推廣應(yīng)用過程中的問題，需要從根本上解決才能讓農(nóng)用植保無人機(jī)真正地大規(guī)模應(yīng)用在農(nóng)業(yè)，發(fā)揮其真正價(jià)值。

3.2.1

加快提升農(nóng)用植保無人機(jī)性能。農(nóng)用植保無人機(jī)不止包含復(fù)雜精密的無人機(jī)技術(shù)，還要適用于農(nóng)業(yè)，更要符合市場(chǎng)需求。一兩家公司或科研單位無法獨(dú)立完成整個(gè)系統(tǒng)工程，這就要求有關(guān)無人機(jī)技術(shù)公司，相關(guān)科研院校等通力合作，在無人機(jī)續(xù)航、載荷、低空超低量施藥器械、專用藥液、電池等植保無人機(jī)相關(guān)技術(shù)上取得快速突破。

3.2.2探索推廣應(yīng)用新模式，解決無人機(jī)、飛手與用戶之間的矛盾。植保無人機(jī)需通過飛手服務(wù)于用戶，但植保無人機(jī)的高昂價(jià)格，稀缺的合格飛手、固定與短暫植保作業(yè)時(shí)效，單一的植保作業(yè)收益以及嚴(yán)重不足的收獲服務(wù)等都會(huì)造成無人機(jī)與農(nóng)戶、飛手與無人機(jī)、無人機(jī)與生產(chǎn)商間存在較大的供需矛盾。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)思維，充分利用閑置資源打造一個(gè)集植保無人機(jī)共享，無人機(jī)擁有者與農(nóng)戶直接溝通下單、植保無人機(jī)售后服務(wù)等多種應(yīng)用的平臺(tái)可能是未來植保無人機(jī)推廣應(yīng)用的正確方向。

3.2.3完善相關(guān)法律法規(guī)。我國(guó)植保無人機(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、操作流程規(guī)范、飛手培訓(xùn)規(guī)范尚處空白，相關(guān)通用航空低空領(lǐng)域還未開放，應(yīng)組織有關(guān)部門盡快制定并完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

3.2.4加大政策扶持。目前只有河南、湖南等地把農(nóng)用植保無人機(jī)納入農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼[18]，其他地方省份也應(yīng)根據(jù)上述省份的實(shí)行效果結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)情盡快推行植保無人機(jī)農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼，并做好技術(shù)服務(wù)和機(jī)械項(xiàng)目的支持工作。

4結(jié)語

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基本特征之一，是農(nóng)業(yè)智能化的基本要求。在我國(guó)其他農(nóng)業(yè)機(jī)械爭(zhēng)相發(fā)展，大規(guī)模普及的背景下，唯有植保這一嚴(yán)重依賴人力，沒有標(biāo)準(zhǔn)化支撐的環(huán)節(jié)制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全機(jī)械化。隨著土地流轉(zhuǎn)加速推動(dòng)，農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營(yíng)比例將顯著提高，而植保領(lǐng)域機(jī)械化相對(duì)落后的現(xiàn)狀以及其對(duì)時(shí)效性的要求，勢(shì)必倒逼植保無人機(jī)快速發(fā)展。當(dāng)下我國(guó)應(yīng)多部門、多科技公司、地方農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)等通力合作完善法律法規(guī)、提升植保無人機(jī)性能，加大政策補(bǔ)貼力度、探索適合應(yīng)用的新模式，真正地把農(nóng)用植保無人機(jī)推向田間地頭。以此實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)去全機(jī)械化，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展邁向現(xiàn)代化、機(jī)械化、智能化。

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