農(nóng)用植保無人機的研究現(xiàn)狀及趨勢

劉春生

(木蘭縣農(nóng)業(yè)機械總站，黑龍江 木蘭 151900)

0 引言

農(nóng)用植保無人機應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各項作業(yè)環(huán)節(jié)，在播種、植保、病蟲害預(yù)防、農(nóng)作物長勢監(jiān)測及作物產(chǎn)量預(yù)測等方面具有眾多應(yīng)用優(yōu)勢[1-2]，結(jié)合地面遙感及GPS技術(shù)，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)中的藥劑噴灑，農(nóng)作物生長監(jiān)測等，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，無人機具有精準作業(yè)、高效環(huán)保、操作簡單、自動化及智能化程度高等特點，可以顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保障我國糧食安全，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進展[3-5]。

由于技術(shù)操作、出售價格、無人機載重等綜合因素，目前，我國農(nóng)用無人機的市場滲透率并不高，相較于國外超過50%的滲透率，我國還不到兩位數(shù)，技術(shù)差距非常明顯[6]。針對該問題，我國需要加強無人機技術(shù)創(chuàng)新升級，推動功能多樣化發(fā)展，簡化操作流程，提升載重能力，擴大產(chǎn)品產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，健全無人機配套設(shè)施，農(nóng)用植保無人機的生產(chǎn)應(yīng)該向綜合集成化、高度智能化及高空、高速、長航時方向發(fā)展，實現(xiàn)智能自主能力增強、任務(wù)效率更高、單次任務(wù)半徑更大和信息獲取更加準確等諸多性能農(nóng)用植保無人機，提升我國無人機技術(shù)的發(fā)展及市場競爭力[7]。

1 農(nóng)用植保無人機的應(yīng)用優(yōu)勢

農(nóng)用植保無人機主要包括固定翼無人機和多旋翼無人機，結(jié)合田間信息采集平臺及多光譜成像系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)無人機遙感技術(shù)、農(nóng)作物長勢監(jiān)測、精準變量施肥技術(shù)、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化、大田及果園施肥技術(shù)、作物產(chǎn)量評估等，可以彌補傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測設(shè)備作業(yè)范圍小，實時監(jiān)測困難等問題，替代傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感監(jiān)測，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入，已經(jīng)發(fā)展成為目前支撐農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要技術(shù)之一[8-9]。

1.1 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率

利用農(nóng)用植保無人機進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，噴灑作物效率超過0.133 hm2·min-1，平均一天一架無人機可以作業(yè)面積超過40 hm2，極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，解放勞動力。利用無人機進行施藥可以實現(xiàn)精準作業(yè)，藥劑霧化后在旋翼的作用下穿透力較強，霧滴飄逸少，霧滴均勻。農(nóng)用植保無人機的操作非常簡單。田間的種植者只需要通過遙控器按下相應(yīng)的按鈕，飛機就會完成相應(yīng)的動作。另一方面，農(nóng)用植保無人機還具有“仿地飛行”功能，可以根據(jù)地形的變化自動保持機身與農(nóng)作物之間的高度，全面提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1.2 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全性

與傳統(tǒng)植保技術(shù)相比，利用農(nóng)用植保無人機可以保護施藥人的身體安全與健康，在進行噴藥過程中可以避免農(nóng)業(yè)工作人員受到藥物的侵害，防止施藥人員出現(xiàn)農(nóng)藥中毒，農(nóng)用植保無人機在空中可以實現(xiàn)定點噴灑農(nóng)藥，農(nóng)用植保無人機旋翼產(chǎn)生的強大氣流可以直接將藥液壓迫作用至作物各個生長領(lǐng)域，提高農(nóng)藥使用效率，保證農(nóng)藥噴灑的安全范圍與區(qū)域，保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，安全性、可靠性較高。

2 農(nóng)用植保無人機應(yīng)用范圍

2.1 農(nóng)用植保無人機噴灑作業(yè)

農(nóng)用植保無人機可以實現(xiàn)農(nóng)藥的自動定量、控制和少量噴灑，工作效率為傳統(tǒng)背式及懸掛式噴霧器的8～10倍。農(nóng)用植保無人機噴灑農(nóng)藥時，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加農(nóng)藥對作物的滲透力，可節(jié)約30%～50%的農(nóng)藥，節(jié)約90%的用水量，減少農(nóng)藥污染對土壤和環(huán)境的影響。

2.2 農(nóng)作物種植

農(nóng)用植保無人機播種技術(shù)是近幾年興起的一項空中播種技術(shù)，可以將種子及其生長所需的全部營養(yǎng)素一起注入土壤，在施肥和播種方面充分顯示較大的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械相比，農(nóng)用植保無人機具有播種施肥程度高、效率高的特點，不受地形條件限制。

2.3 農(nóng)田灌溉

利用農(nóng)用植保無人機在農(nóng)田上方可以觀察不同濕度下農(nóng)田土壤的顏色變化，自動生成地形地圖，農(nóng)戶及生產(chǎn)工作人員可以利用農(nóng)業(yè)植保無人機航拍獲得的信息，對數(shù)據(jù)庫中存儲的信息進行識別和對比，科學(xué)、合理、高效、精準地進行農(nóng)業(yè)灌溉；另一方面，利用農(nóng)用植保無人機還可用于觀察農(nóng)田土壤水分不足導(dǎo)致的植物葉、莖、嫩枝枯萎現(xiàn)象，以此作為判斷農(nóng)田作物定額灌溉的參考，實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的高效與節(jié)水。

2.4 農(nóng)田信息監(jiān)測

農(nóng)業(yè)植保無人機農(nóng)田信息監(jiān)測主要包括病蟲害監(jiān)測、農(nóng)田灌溉監(jiān)測、作物長勢監(jiān)測等，基于遙感技術(shù)，對大面積的農(nóng)田和土地進行高空航拍，從航拍照片和視頻資料中全面、綜合地了解農(nóng)作物的生長環(huán)境、周期等指標，還可以及時發(fā)現(xiàn)病蟲害、細菌入侵等問題，及時防治，減少病蟲害的擴散與蔓延是常規(guī)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測手段無法比擬的。

2.5 農(nóng)業(yè)保險調(diào)查

在進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時，由于不可避免的自然災(zāi)害等因素會給農(nóng)戶帶來極大的損失，對于農(nóng)作物面積較小的農(nóng)戶來說，進行區(qū)域損失調(diào)查并不困難，但是當大面積農(nóng)作物遭受到自然侵害時，進行農(nóng)作物面積及損失評估工作較難展開，工作量極大，很難準確界定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失面積。為了更有效地測算實際受災(zāi)面積，農(nóng)業(yè)保險公司可以利用農(nóng)用植保無人機開展農(nóng)業(yè)保險災(zāi)害損失調(diào)查，并以此作為農(nóng)業(yè)保險理賠的評價標準。有效提高農(nóng)業(yè)保險公司的查勘速度，節(jié)省了大量人力物力，提高賠付率及賠付的準確性。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外農(nóng)用植保無人機研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外主要以美國、俄羅斯、澳大利亞及日本等國家無人機技術(shù)發(fā)展最為先進。美國是目前世界上農(nóng)用植保無人機技術(shù)應(yīng)用最為成熟的國家，已經(jīng)成立了關(guān)于農(nóng)用植保無人機相關(guān)企業(yè)2 000多家，并且成立了國家農(nóng)業(yè)航空協(xié)會(National Agricultural Aviation Association，NAAA)，主要成員是來自46個州的會員。目前，美國國內(nèi)農(nóng)用植保無人機共有20多種型號，4 000多種機型，全美超過60%的農(nóng)田使用農(nóng)用植保無人機進行農(nóng)事操作，在農(nóng)業(yè)政策方面國家大力支持并扶持農(nóng)用無人機植保作業(yè)，大量的科研資金投入也是推動農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的重要因素之一。

俄羅斯農(nóng)業(yè)顯著特征為地廣人稀，目前擁有龐大的農(nóng)用植保無人機數(shù)量，可達1.1萬架。澳大利亞及加拿大農(nóng)用植保無人機發(fā)展模式與美國相似。日本耕地面積較小，同時也是最早使用微型無人機應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的國家，目前日本農(nóng)用植保無人機保有量超過3 000架，專業(yè)農(nóng)用植保無人機操作人員超過1萬人，其中農(nóng)用植保無人機以YAMAHA 及 RMAX系列為主，進行農(nóng)業(yè)的播種，以及病蟲害防治作業(yè)，也被國際市場譽為“空中機器人”。

綜上所述，目前農(nóng)用植保無人機已經(jīng)成為世界各國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較大的國家主要以大中型農(nóng)用植保無人機為主，而日本、韓國等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積較小的國家主要以微型及小型農(nóng)用植保無人機為主。

3.2 我國農(nóng)用植保無人機發(fā)展現(xiàn)狀

為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，在19世紀50年代，我國派出C-46型飛機在廣州進行農(nóng)業(yè)滅蟲的飛行任務(wù)，揭開了我國農(nóng)用植保無人機發(fā)展的序幕。經(jīng)過我國的不斷發(fā)展及科技進步，我國農(nóng)用植保無人機保有量逐漸增加，截至2021年，我國農(nóng)用植保無人機作業(yè)面積超過20多萬hm2，作業(yè)時間超過3.5萬h，但是與國外發(fā)達國家的農(nóng)用植保無人機技術(shù)相比，農(nóng)業(yè)航空發(fā)展水平與我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展及現(xiàn)代化進程需求不匹配。本研究以全豐航空生產(chǎn)的自由鷹MINI系列及DP系列為例進行分析，主要工作參數(shù)如表1、表2所示。

表1 自由鷹MINI技術(shù)參數(shù)

表2 自由鷹DP技術(shù)參數(shù)

4 農(nóng)用植保無人機未來發(fā)展趨勢

農(nóng)業(yè)植保無人機產(chǎn)業(yè)的成熟發(fā)展，除了無人機本體和各種軟硬件應(yīng)用外，相關(guān)農(nóng)業(yè)植保無人機配套設(shè)施也至關(guān)重要，如噴頭、續(xù)航電池等技術(shù)，未來，我國要完善農(nóng)業(yè)植保無人機配套設(shè)施的建設(shè)，加速推動無人機后服務(wù)市場建設(shè)，農(nóng)業(yè)植保無人機的研究技術(shù)應(yīng)該向綜合集成化、高度智能化、長航時方向發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)用植保無人機單次執(zhí)行任務(wù)效率更高。另一方面，通過鼓勵無人機人才培訓(xùn)市場、無人機維修市場、無人機定責保險市場等不斷發(fā)展，進而推動無人機的長足發(fā)展。近期，農(nóng)用植保無人機低空飛行引發(fā)的撞擊障礙物、撞地事故頻發(fā)，加強科研資金的投入，加強相關(guān)核心技術(shù)的研究，提升農(nóng)用植保無人機的穩(wěn)定性與安全性發(fā)展，避免上述問題的發(fā)生。

5 結(jié)論

農(nóng)用植保無人機主要包括固定翼無人機和多旋翼無人機，可以進行農(nóng)業(yè)無人機遙感技術(shù)、農(nóng)作物長勢監(jiān)測、精準變量噴灑技術(shù)、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化、大田及果園施肥技術(shù)、作物產(chǎn)量評估等，已經(jīng)發(fā)展成為目前支撐農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要技術(shù)之一。本研究系統(tǒng)論述了農(nóng)用植保無人機國內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出農(nóng)用植保無人機的主要發(fā)展方向與發(fā)展趨勢，研究結(jié)果對于推動國內(nèi)外農(nóng)用植保無人機技術(shù)的發(fā)展、推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程具有重要意義。