亞洲農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)發(fā)展與應(yīng)用

何雄奎，Jane Bonds，Andreas Herbst，Jan Langenakens

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100193；2.邦德斯咨詢有限公司，巴拿馬城 32408 美國(guó)；3.德國(guó)聯(lián)邦作物研究中心植保施藥技術(shù)研究所，布倫瑞克 D-38104 德國(guó)；4.AAMS-Salvarani公司，馬爾德海姆 9991 比利時(shí)）

1 引言

目前，亞洲地區(qū)農(nóng)村勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺與農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力需求的矛盾日益嚴(yán)峻，急需高效率的作業(yè)機(jī)具服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。亞洲地區(qū)糧食與經(jīng)濟(jì)作物不像歐美等國(guó)家在大平原中種植，其生產(chǎn)生態(tài)條件復(fù)雜，大多是小地塊、小規(guī)模、丘陵中非平原等高種植，且耕作制度多樣，作物因高溫高濕環(huán)境有害生物多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)。按聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）自然損失率37%以上測(cè)算，若不采取防控措施，僅中國(guó)水稻每年因病蟲(chóng)危害可造成產(chǎn)量損失500億公斤，潛在經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)2 000億元。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，受氣候變暖、耕作制度變化、國(guó)際貿(mào)易頻繁、病蟲(chóng)對(duì)農(nóng)藥抗性增強(qiáng)等多種因素的影響，亞洲地區(qū)作物生產(chǎn)災(zāi)害呈現(xiàn)諸多新特點(diǎn)：有害生物爆發(fā)頻率逐年提高；遷飛性害蟲(chóng)種類此起彼伏；流行性病害種類連年猖獗；區(qū)域性有害生物種類突發(fā)成災(zāi)；抗藥性有害生物種類增多、發(fā)生頻繁；檢疫性種類大肆侵入。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的新形勢(shì)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全，實(shí)現(xiàn)綠色消費(fèi)、持續(xù)發(fā)展，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)。為適應(yīng)這一新形勢(shì)，亞洲農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)得到迅速發(fā)展，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)生態(tài)安全、農(nóng)業(yè)貿(mào)易安全，提供有力支撐。

當(dāng)前，小型無(wú)人機(jī)低空低量航空植保在亞洲地區(qū)發(fā)展迅速，尤其是在中國(guó)、日本、韓國(guó)等東亞地區(qū)，研究與應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這種迅速發(fā)展主要是因?yàn)橹脖o(wú)人機(jī)具有如下優(yōu)越性：（1）植保無(wú)人機(jī)不需要固定機(jī)場(chǎng)，可以從耕地的邊緣、公路上、或者一輛卡車(chē)的頂部著陸，節(jié)省了航空公司和農(nóng)林航空植保組織機(jī)構(gòu)整修航站（點(diǎn)）、跑道的經(jīng)費(fèi)開(kāi)支。同時(shí)，也可以不用專用機(jī)庫(kù)存放；（2）植保無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑小，可在空中懸停進(jìn)行掉頭，十分靈活；（3）植保無(wú)人機(jī)的爬升率大，可在空中垂直上下飛行，超低空作業(yè)性能好；（4）植保無(wú)人機(jī)的空飛率低，可在作業(yè)區(qū)的空地上就地加油、加藥，減少了無(wú)效作用時(shí)間；（5）非常適合復(fù)雜地形的小地塊作業(yè)，即可在相對(duì)高度差大的復(fù)雜地帶和分散零星的小面積上作業(yè)，且功效高；（6）使用簡(jiǎn)便、維護(hù)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，作業(yè)機(jī)組人員相對(duì)較少，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

從噴灑效果上看：（1）具有直升機(jī)的高效作業(yè)性能和良好噴灑效果；（2）植保無(wú)人機(jī)速度變化靈活，可以從零直接飛到正常速度，低速條件下作業(yè)有較好的霧滴覆蓋，特別是旋翼產(chǎn)生的下旋氣流，可減少霧粒的飄散，同時(shí)由于下旋氣流而產(chǎn)生上升氣流可使農(nóng)藥?kù)F滴直接沉積到植物葉片的正反面；（3）植保無(wú)人機(jī)的空中懸停的功能使其具有單株噴灑能力。

從成本和安全性上看：（1）植保無(wú)人機(jī)的整體使用費(fèi)用相對(duì)較少，雖然購(gòu)機(jī)費(fèi)用較高，但無(wú)需機(jī)場(chǎng)建設(shè)，與有人機(jī)相比性價(jià)比較高；（2）植保無(wú)人機(jī)的安全系數(shù)較高，特別是旋翼機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)，利用旋翼的自轉(zhuǎn)性，通過(guò)駕駛員正確的操作，其迫降著陸速度可接近于0，另外植保無(wú)人機(jī)能通過(guò)減緩速度快速反應(yīng)來(lái)增加飛行安全性和可預(yù)見(jiàn)性。

2 亞洲農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 韓國(guó)植保無(wú)人機(jī)與施藥技術(shù)

韓國(guó)本國(guó)基本不生產(chǎn)植保無(wú)人機(jī)，主要引進(jìn)日本和中國(guó)的植保無(wú)人機(jī)及施藥技術(shù)，用植保無(wú)人機(jī)每年水稻需噴藥 2～3 次，韓國(guó)植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)與日本基本相似。因此，本文主要對(duì)中國(guó)及日本農(nóng)用無(wú)人機(jī)發(fā)展情況進(jìn)行解析。

2.2 中國(guó)無(wú)人機(jī)與低空低量航空施藥技術(shù)

中國(guó)的農(nóng)用航空事業(yè)起步較晚，但近10年，中國(guó)植保無(wú)人機(jī)與低空低量航空施藥技術(shù)發(fā)展迅速。中國(guó)的農(nóng)用航空始于20世紀(jì)50年代初，運(yùn)用的機(jī)型主要有“Y-5B（D）”、“Y-ll”、“藍(lán)鷹AD200N”、“蜜蜂3型”、“海燕650B”等固定翼機(jī)型。20世紀(jì)90年代專為超輕型飛機(jī)配套設(shè)計(jì)的3WQF型農(nóng)藥噴灑設(shè)備，可廣泛用于水稻、小麥、棉花等大田農(nóng)作物的病蟲(chóng)害防治、化學(xué)除草、草原滅蝗、森林害蟲(chóng)防治等。1995年由北京科源輕型飛機(jī)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的藍(lán)鷹AD200N型飛機(jī)主要用于農(nóng)田、林帶病蟲(chóng)害防治、衛(wèi)生防疫及靜化水源等，有效噴幅達(dá)22～30m，作業(yè)速度110km/h，單日每架次作業(yè)量可達(dá)萬(wàn)畝，而施藥量?jī)H0.10～0.25kg/畝，防效達(dá)90%以上。1999年由中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院研制的HU2-HWl型超低容量噴灑設(shè)備及NT100GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與海燕650B飛機(jī)配套技術(shù)，應(yīng)用在廣西武鳴林區(qū)防治病蟲(chóng)害，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。目前，中國(guó)有農(nóng)林用固定翼飛機(jī)1 400架，直升機(jī)60余架，無(wú)人機(jī)2 000余架，使用固定翼飛機(jī)和直升機(jī)防治農(nóng)林業(yè)病蟲(chóng)草害和施肥的面積達(dá)到200多萬(wàn)hm2。但和農(nóng)用航空發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距仍十分巨大：我國(guó)農(nóng)用飛機(jī)擁有量?jī)H占世界農(nóng)用飛機(jī)總數(shù)的0.13%左右；農(nóng)業(yè)航空作業(yè)面積占耕地面積的1.70%（發(fā)達(dá)國(guó)家40%～50%）；噴灑設(shè)備性能差。

國(guó)內(nèi)通用輕小型農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)主要有“Z-3”、大疆“MG-1”、“天鷹-3”、2009～2010年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的單旋翼“CAU- 3WZN10A”與多旋翼“3WSZ-15”等。近10年來(lái)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)低空低量作業(yè)逐漸興起、發(fā)展迅猛。據(jù)農(nóng)業(yè)部相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，截至2016年5月，全國(guó)在用的農(nóng)用無(wú)人機(jī)共178種，可掛載5～20L的藥箱，噴幅在5～20m之間，可適用于不同的施藥條件，噴霧作業(yè)效率高達(dá)6hm2/h，能有效及時(shí)防治水稻病蟲(chóng)草害。至今，全國(guó)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)95%以上用于航空植保作業(yè)，還有5%左右用于農(nóng)情信息獲取、航空拍攝、農(nóng)作物的輔助育種等。2011年，農(nóng)林航空作業(yè)33 158h，主要用于黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆與河南等糧食作物主產(chǎn)區(qū)，但不足全部植保作業(yè)面積的3%。

國(guó)內(nèi)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)按結(jié)構(gòu)主要分為單旋翼和多旋翼兩種，按動(dòng)力系統(tǒng)可以分為電池動(dòng)力與燃油動(dòng)力兩種，如圖1、圖2所示，種類達(dá)10多種，一般空機(jī)重量10～50kg，作業(yè)高度1.0～5m，作業(yè)速度小于8m/s。電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心是電機(jī)，操作靈活，起降迅速，單次飛行時(shí)間一般為10～15min。燃油動(dòng)力系統(tǒng)的核心是發(fā)動(dòng)機(jī)，靈活性相對(duì)較差，機(jī)身大，需要一定的起降時(shí)間，單次飛行時(shí)間可超過(guò)1h，維護(hù)較復(fù)雜。單旋翼無(wú)人機(jī)藥箱載荷多為5～20L，部分機(jī)型載荷可達(dá)30L。多旋翼無(wú)人機(jī)多以電池為動(dòng)力，較單旋翼無(wú)人機(jī)藥箱載荷少，多為5～10L，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、飛行穩(wěn)定等特點(diǎn)，噴霧作業(yè)效率高達(dá)0.2hm2/min。

2009年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心（Center for Chemical Application Technology，CCAT）與山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司合作研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一種多旋翼植保無(wú)人機(jī)，包括搭載10L藥箱的8旋翼機(jī)和搭載15L藥箱的18旋翼機(jī)兩種機(jī)型（圖1b）。

截至2016年，中國(guó)有超過(guò)200家企業(yè)生產(chǎn)的169種農(nóng)用無(wú)人機(jī)，已經(jīng)在包括水稻、小麥、玉米、甘蔗、果樹(shù)、棉花等多種作物上進(jìn)行了病蟲(chóng)害防治作業(yè)，實(shí)際效果證明已經(jīng)能夠達(dá)到實(shí)用水平，正處于快速發(fā)展階段。

圖1 國(guó)產(chǎn)單旋翼及多旋翼植保無(wú)人機(jī)

2.3 日本小型農(nóng)用無(wú)人機(jī)及施藥技術(shù)

日本是最早將無(wú)人駕駛直升機(jī)施藥技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國(guó)家，也是當(dāng)今世界上該技術(shù)發(fā)展最成熟的國(guó)家之一。由于日本農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)規(guī)模相對(duì)較小，常規(guī)的大型地面施藥技術(shù)裝備難以適應(yīng)，所以日本農(nóng)用航空主要以無(wú)人直升機(jī)為主。1985年，日本雅馬哈公司率先推出世界第一架農(nóng)用無(wú)人機(jī)Yamaha-R50型，其有效載荷為5kg（圖3a），主要用于農(nóng)藥布撒。截止2005年10月底，日本登記在冊(cè)的農(nóng)用無(wú)人直升機(jī)保有量己經(jīng)從1995年的307架增加到2 002架，年均增長(zhǎng)13.80%，用于農(nóng)林業(yè)方面的無(wú)人直升機(jī)，僅Yamaha-Rmax系列就有1 200多架。防治面積從1997年的20萬(wàn)hm2增加到60萬(wàn)hm2，年均增長(zhǎng)20.10%，已經(jīng)超過(guò)了有人駕駛農(nóng)用直升機(jī)的防治面積。截至2012年，日本農(nóng)用無(wú)人直升機(jī)作業(yè)面積為96.3萬(wàn)hm2/年，占種植面積的50%～60%，擁有農(nóng)林業(yè)用無(wú)人直升機(jī)2 346架，無(wú)人機(jī)操控手14 163人；無(wú)人機(jī)植保作業(yè)效率高達(dá)7～10hm2/h，噴灑面積的總和為963 250hm2。雅馬哈公司在日本植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)占有率達(dá)90%，除雅馬哈公司外，日本還有鈴木和Yama Motor公司生產(chǎn)小型農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)用于水稻及其他農(nóng)作物的病蟲(chóng)害防治。從2015年開(kāi)始，一些日本企業(yè)開(kāi)始推出4旋翼、6旋翼、8旋翼等多旋翼植保無(wú)人機(jī)。

圖2 幾種典型的國(guó)產(chǎn)植保無(wú)人機(jī)

隨著農(nóng)用小型無(wú)人植保機(jī)的不斷發(fā)展和成熟，日本航空噴霧技術(shù)也發(fā)生了很大的進(jìn)步。藥箱從5L發(fā)展到24L，施藥液量從每公頃大于30L的噴灑作業(yè)的常量噴灑，發(fā)展到5L/hm2的低量噴灑，再到小于1L/hm2的超低量噴灑。日本航空噴霧技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是采用超低量噴霧技術(shù)，技術(shù)與產(chǎn)品已非常成熟，雅馬哈公司2010年研發(fā)的最新機(jī)型R-Max 3880（圖3b），飛機(jī)左右兩邊各配置一個(gè)12L的藥箱，加藥與換藥時(shí)間不到1min，啟動(dòng)、操作、噴施作業(yè)非常簡(jiǎn)單。

圖3 雅馬哈農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)

目前，日本對(duì)主要從以下兩方面進(jìn)行航空噴霧控制技術(shù)的研究：（1）建立飛機(jī)噴霧的霧滴分布仿真數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型分析霧滴沉降規(guī)律，研究噴施高度、風(fēng)速、不同飛機(jī)對(duì)霧滴粒徑及霧滴漂移的影響。另一個(gè)已投入使用的技術(shù)是可控霧滴技術(shù)，飛行員按作業(yè)條件選擇相應(yīng)的噴嘴和噴霧參數(shù)達(dá)到控制霧滴種類、直徑、漂移率等，取得最佳噴霧效果。（2）GPS及精準(zhǔn)施藥技術(shù)在航空作業(yè)中的使用。航空植保作業(yè)時(shí)，通過(guò)用戶模塊（SSM）中不同區(qū)域（較小的面積單元）所需殺蟲(chóng)藥、肥料用量，進(jìn)行變量噴施。最近，遠(yuǎn)程控制平臺(tái)也得到應(yīng)用，當(dāng)飛機(jī)到達(dá)作業(yè)區(qū)域時(shí)，GPS能實(shí)時(shí)將作業(yè)區(qū)域的信息圖像傳送到控制平臺(tái)，但是當(dāng)飛機(jī)速度大于或等于65m/s時(shí)，GPS技術(shù)尚不能很好完成即時(shí)數(shù)據(jù)回傳，但在較小速度下的使用已能達(dá)到作業(yè)位置精確定位與自動(dòng)導(dǎo)航，最終實(shí)現(xiàn)精確施藥及噴幅精確對(duì)接。

標(biāo)準(zhǔn)配置的雅馬哈R-Max 3880的性能作業(yè)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 雅馬哈R-Max3880型無(wú)人機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)

表2 雅馬哈R-Max3880型無(wú)人機(jī)的使用成本/（萬(wàn)日元）

在日本雅馬哈R-Max 3880單機(jī)售價(jià)1 000萬(wàn)日元，有的地方政府會(huì)對(duì)采購(gòu)進(jìn)行約50%的補(bǔ)貼。售后服務(wù)體系非常齊全，日本在全國(guó)各地都有廠家認(rèn)可的修理工廠，發(fā)生故障后，可以開(kāi)車(chē)?yán)?4小時(shí)營(yíng)業(yè)的修理工廠修理。

雅馬哈飛機(jī)的故障率不高，一般控制在5.8%以內(nèi)，主要故障由人為操作不當(dāng)造成，如飛機(jī)與電線、樹(shù)枝接觸引起的墜落。但其修理費(fèi)用非常高，一副大槳30萬(wàn)日幣，墜落一次修理費(fèi)用為 200～300萬(wàn)日元，因此每架飛機(jī)都買(mǎi)保險(xiǎn)。

飛機(jī)噴灑系統(tǒng)裝備3個(gè)圓錐霧/扇形霧噴頭，較少使用離心式噴頭，噴頭的配置為中心一個(gè)，左右各一個(gè)，兩邊對(duì)稱。飛機(jī)使用壽命1 000h，使用年限6～9年。兩邊各配置一個(gè)12L藥液箱，插入式藥箱裝卸僅需1s；每架飛機(jī)作業(yè)面積約0.2～0.3 km2，飛機(jī)滯空時(shí)間為5h。

飛機(jī)大多采用半自主控制：高度采用自動(dòng)控制；噴灑間距采用手工控制，最遠(yuǎn)飛行200m；飛行姿態(tài)自主控制，速度、方向由人工控制。

操控人員培訓(xùn)需15天，培訓(xùn)費(fèi)用60萬(wàn)日幣／人。噴灑服務(wù)價(jià)格為不含農(nóng)藥2萬(wàn)日幣／hm2（約106元／畝），含農(nóng)藥3萬(wàn)日幣／hm2（約160元／畝）。日本無(wú)人直升機(jī)分布如表3所示（截至2012年）。

表3 日本無(wú)人直升機(jī)分布情況

3 亞洲植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

2012年至2013年，中國(guó)農(nóng)業(yè)部組織了為期兩年的中日韓三國(guó)國(guó)際合作研究項(xiàng)目“無(wú)人機(jī)水稻高效施藥技術(shù)研究”，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)中心CCAT為中方的負(fù)責(zé)單位，研究人員不同時(shí)期在三個(gè)國(guó)家分別進(jìn)行了大量的無(wú)人機(jī)施藥田間試驗(yàn)，所有參與成員共享無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)研究成果和信息。

圖4 “無(wú)人機(jī)水稻高效施藥技術(shù)研究”國(guó)際合作項(xiàng)目

3.1 中國(guó)植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用

以水稻為例，在中國(guó)水稻種植面積高達(dá)306萬(wàn)hm2，土地分散，戶均種植面積約1.15hm2；水稻自給率達(dá)99%以上。但用于水稻化學(xué)防治的機(jī)具卻十分落后，約70%的植保機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)60～70年代的水平，只有約10%的產(chǎn)品能夠達(dá)國(guó)際20世紀(jì)80年代末90年代初的技術(shù)水平。落后的施藥機(jī)具及傳統(tǒng)的施藥技術(shù)普遍存在的現(xiàn)狀與高速發(fā)展的農(nóng)藥水平極不相稱，已嚴(yán)重妨礙了農(nóng)林病蟲(chóng)草害的防治，并帶來(lái)了許多負(fù)面影響，如農(nóng)藥的利用率低、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染、作物藥害、操作者中毒等，無(wú)法滿足新的植物保護(hù)任務(wù)需求。而航空噴霧是一種非常重要且及時(shí)有效的高效施藥方法，其特點(diǎn)是效率高、效果好、立體性強(qiáng)、不損傷作物、勞動(dòng)強(qiáng)度低、一機(jī)多用等。由于各種因素的限制，目前中國(guó)在農(nóng)林應(yīng)用上的飛機(jī)還是以固定翼和直升機(jī)等有人駕駛飛機(jī)為主，小型無(wú)人直升機(jī)在農(nóng)業(yè)上的研究和應(yīng)用在近10年才得到發(fā)展。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心CCAT2013年1月在海南水稻種植區(qū)對(duì)13種國(guó)產(chǎn)植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)（圖5），結(jié)果表明參試的所有國(guó)產(chǎn)無(wú)人機(jī)噴霧作業(yè)均可以對(duì)水稻病蟲(chóng)害有明顯的防治效果。以此實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，中國(guó)農(nóng)業(yè)部從2013年起開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)推廣小型植保無(wú)人機(jī)低空低量航空植保技術(shù)。

圖5 2013年1月海南13種植保無(wú)人機(jī)水稻田間施藥測(cè)試

2015年6月，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)中心CCAT與來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的施藥技術(shù)專家合作，在河南省安陽(yáng)市小麥種植區(qū)進(jìn)行了植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡試驗(yàn)研究，使用霧滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試法SSDQB，如圖6、圖7所示，采用研制的空間質(zhì)量平衡收集裝置、一機(jī)裝載GPS系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星定位兩套定位系統(tǒng)，與多通道智能微氣象測(cè)量系統(tǒng)等測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合，對(duì)3種植保無(wú)人機(jī)不同飛行方式、飛行參數(shù)和側(cè)風(fēng)條件影響下的霧滴沉積分布和飄失特性進(jìn)行了評(píng)估。3種參試無(wú)人機(jī)分別為3WQF80-10型油動(dòng)單旋翼無(wú)人植保機(jī)（河南安陽(yáng)全豐航空植保技術(shù)有限公司），CG-Q60S型電動(dòng)四旋翼無(wú)人植保機(jī)（珠海綠衛(wèi)士航空植保技術(shù)有限公司），LHX8-3WD10型電動(dòng)八旋翼無(wú)人植保機(jī)（武漢洛克希德無(wú)人機(jī)科學(xué)研究院有限公司），試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以有效獲得準(zhǔn)確飛行速度和高度下無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間分布情況和下旋氣流場(chǎng)分布情況；飛行方式及參數(shù)、高度和側(cè)風(fēng)3種因素對(duì)單旋翼無(wú)人機(jī)噴霧霧滴產(chǎn)生的影響可以通過(guò)改變其旋翼下旋氣流場(chǎng)在垂直于地面向下方向的強(qiáng)度，減弱氣流對(duì)霧滴的下壓作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖6 3種參與空間質(zhì)量平衡試驗(yàn)研究的植保無(wú)人機(jī)

圖7 植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡系統(tǒng)方法SSDQB

3.2 日本植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用

在日本水稻種植面積達(dá)160萬(wàn)hm2，土地分散，戶均種植面積約1.5hm2；農(nóng)產(chǎn)品自給率僅40%左右，但稻谷自給率達(dá)96%以上；農(nóng)業(yè)人口老年化嚴(yán)重，平均年齡達(dá)66歲；農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平相當(dāng)高，水稻生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化，經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)設(shè)施化程度較高；20世紀(jì)80～90年代國(guó)家投人大量經(jīng)費(fèi)開(kāi)展農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，灌溉條件好；水稻上的農(nóng)藥噴霧由政府的農(nóng)業(yè)事業(yè)部門(mén)和日本農(nóng)協(xié)這兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展，農(nóng)協(xié)和服務(wù)組織發(fā)達(dá)，在生產(chǎn)、技術(shù)推廣和服務(wù)方面發(fā)揮了重要作用。

日本水稻上發(fā)生的主要病蟲(chóng)種類有稻飛虱類（灰飛虱、褐飛虱、白背飛虱）、稻象甲、蜷類、稻瘟病、水稻紋枯病等，病蟲(chóng)害種類比中國(guó)南方稻區(qū)少，發(fā)生程度也比中國(guó)南方稻區(qū)輕，與中國(guó)北方稻區(qū)相似。水稻病蟲(chóng)害防治以化學(xué)農(nóng)藥防治為主。日本農(nóng)藥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2011年水稻用農(nóng)藥產(chǎn)量為72 162t，其中除草劑31 729t、占44.00%，殺蟲(chóng)殺菌復(fù)配劑17620t、占24.40%，殺蟲(chóng)劑14 285t、占19.8%，殺菌劑8 528t、占11.80%。重視種子處理和秧苗期防治，用藥量占總量的70%，大大減少了大田用藥次數(shù)，只需2次左右。應(yīng)用大型高效施藥機(jī)械，作業(yè)效率和農(nóng)藥利用率高，自走式水田噴桿噴霧機(jī)占30%，植保無(wú)人機(jī)近60%，其它小型機(jī)械10%。在亞洲地區(qū)水稻無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)與裝備水平日本最發(fā)達(dá)。

3.3 韓國(guó)植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用

韓國(guó)國(guó)土面積22萬(wàn)km2，以丘陵地貌為主，人口4 760萬(wàn)。耕地面積190萬(wàn)hm2，農(nóng)業(yè)人口占7.5%，120萬(wàn)農(nóng)戶，戶均耕地1.4hm2。農(nóng)作物種植面積170萬(wàn)hm2，且有逐年減少趨勢(shì)，其中水稻89萬(wàn)hm2，蔬菜20萬(wàn)hm2，水果15萬(wàn)hm2。農(nóng)產(chǎn)品自給率低，但稻谷滿足率達(dá)98%以上。蔬菜生產(chǎn)設(shè)施化程度高，水稻生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，飛機(jī)施藥面積達(dá)15%，其中無(wú)人直升機(jī)占10%。

韓國(guó)的農(nóng)技推廣與農(nóng)業(yè)科學(xué)研究、農(nóng)民教育三位一體，由農(nóng)村振興廳負(fù)責(zé)。農(nóng)村振興廳和9個(gè)道政府均下設(shè)有研究、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣普及與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)等部門(mén)，157個(gè)市、郡均設(shè)有農(nóng)業(yè)技術(shù)中心和技術(shù)普及課。農(nóng)業(yè)技術(shù)研究推廣體系共有1萬(wàn)余人，其中研究人員19%，推廣人員50%，管理人員31%，全部為公務(wù)員。韓國(guó)水稻病蟲(chóng)害主要有稻飛虱類（灰飛虱、褐飛虱、白背飛虱）、稻縱卷葉螟、稻水象甲、稻瘟病、水稻紋枯病等，發(fā)生程度也比中國(guó)南方稻區(qū)輕，比中國(guó)北方稻區(qū)重，不防治可造成水稻損失19%左右，通過(guò)防治稻谷損失可控制在3%以內(nèi)。水稻是韓國(guó)第一大農(nóng)作物，占農(nóng)作物總面積的50%，對(duì)水稻病蟲(chóng)監(jiān)測(cè)與防控十分重視。全國(guó)設(shè)有國(guó)家水稻病蟲(chóng)預(yù)測(cè)圃150個(gè)，每10km2設(shè)立水稻病蟲(chóng)觀察調(diào)查點(diǎn)一個(gè)，定期或不定期通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、大眾媒體發(fā)布預(yù)報(bào)、注意報(bào)和警報(bào)。病蟲(chóng)害發(fā)生季節(jié)農(nóng)村振興廳組織專家到各地巡視，市、郡農(nóng)技中心到農(nóng)戶和田頭指導(dǎo)防治。重視農(nóng)民培訓(xùn)、技術(shù)示范和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。重視種子處理和秧苗期防治，以前大田用藥防治次數(shù)需4～5次，現(xiàn)在只需2～3次。水稻上的航空施藥技術(shù)水平低于日本和中國(guó)，中日韓水稻種植面積和農(nóng)用無(wú)人機(jī)施藥現(xiàn)狀如表4所示。

表4 中日韓水稻種植面積和農(nóng)用無(wú)人機(jī)施藥現(xiàn)狀

4 植保無(wú)人機(jī)航空施藥技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與對(duì)策

由于中國(guó)等亞洲很多國(guó)家都面臨著人口老齡化和人口縮減的嚴(yán)峻形勢(shì)，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺的趨勢(shì)未來(lái)會(huì)愈發(fā)明顯，為了保障中國(guó)農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展，加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化已經(jīng)成為中國(guó)國(guó)家層面的發(fā)展戰(zhàn)略。植保無(wú)人機(jī)低空低量航空施藥技術(shù)的應(yīng)用符合當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，以省時(shí)、省力、安全、高效的方式進(jìn)行施藥作業(yè)，提升了中國(guó)植保機(jī)械化水平。在農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)快速且迅猛發(fā)展的過(guò)程中，既充滿機(jī)遇又面對(duì)挑戰(zhàn)。

（1）使用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)相對(duì)于傳統(tǒng)施藥方式優(yōu)勢(shì)明顯。植保無(wú)人機(jī)低空低量施藥在中國(guó)已應(yīng)用在玉米、水稻、小麥等作物上以及丘陵地帶，日本60%的水稻用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴霧，植保無(wú)人機(jī)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于易于部署和使用，特別是適用于在小地塊、復(fù)雜地形等人工或地面植保機(jī)具難以作業(yè)的情況。在中國(guó)大部分小地塊農(nóng)田的植保作業(yè)中，植保無(wú)人機(jī)載荷和電池連續(xù)使用時(shí)長(zhǎng)的局限性并不是植保無(wú)人機(jī)施藥的主要障礙，但是植保無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)占有偏重于那些載重適中、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，堅(jiān)固耐用的植保無(wú)人機(jī)及其系統(tǒng)，更適用于極端的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。各種試驗(yàn)研究結(jié)果已經(jīng)證明植保無(wú)人機(jī)施藥的實(shí)際作業(yè)效果是可行的，可以應(yīng)用于田間植保作業(yè)。

（2）考慮到植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的新穎性和復(fù)雜性，植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)的研發(fā)應(yīng)放在首要地位。低空低量無(wú)人機(jī)噴霧與傳統(tǒng)的有人駕駛航空施藥和地面機(jī)具施藥不同，各種施藥參數(shù)、施藥條件與施藥技術(shù)有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。中國(guó)目前缺乏適用于低空低量植保無(wú)人機(jī)航空施藥的施藥技術(shù)，沒(méi)有專業(yè)的植保無(wú)人機(jī)專用噴霧系統(tǒng)，急需通過(guò)合適的藥液泵、噴頭選擇、藥箱設(shè)計(jì)、加藥系統(tǒng)等優(yōu)化霧化狀態(tài)。至今也沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和充分的科學(xué)認(rèn)知，能為不同天氣和地面條件下無(wú)人機(jī)植保作業(yè)合理施藥參數(shù)的確定提供可靠地指導(dǎo)。

（3）無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)在噴霧質(zhì)量、防治效果和安全性方面的評(píng)估相當(dāng)程度上會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)展的進(jìn)程產(chǎn)生影響，農(nóng)藥在作物冠層中的穿透性、霧滴沉積量、覆蓋率和霧滴飄移控制是在評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)施藥效率和防治效果時(shí)需要優(yōu)先考慮的。為了航線規(guī)劃和自主飛行更穩(wěn)定和更精準(zhǔn)，亟待研發(fā)先進(jìn)的新型飛控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、軟件平臺(tái)。另外，仍需充分研究小型單旋翼及多旋翼無(wú)人機(jī)霧滴空氣動(dòng)力學(xué)以及其與溫濕度、風(fēng)速等外界環(huán)境因素的相互作用，為針對(duì)植保作業(yè)的專用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，否則噴霧飄移和非靶標(biāo)區(qū)域外噴霧會(huì)導(dǎo)致相鄰作物嚴(yán)重的藥害以及對(duì)施藥人員的損害。尤其是噴灑除草劑時(shí)，距離作物冠層表面噴霧高度在1m到4m之間很容易造成潛在的農(nóng)藥飄失，對(duì)施藥區(qū)域附近敏感作物的藥害是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。基于田間測(cè)試的可飄移霧滴風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和減飄技術(shù)的運(yùn)用是未來(lái)無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)發(fā)展過(guò)程中需要考慮的重要方面。

（4）植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)的商業(yè)化需要政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)等各利益攸關(guān)方的共同參與和合作。專業(yè)化組織可以提供收費(fèi)合理的無(wú)人機(jī)病蟲(chóng)害防治綜合服務(wù)，意味著將復(fù)雜的無(wú)人機(jī)技術(shù)、植保技術(shù)與專用農(nóng)藥劑型技術(shù)帶到農(nóng)民身邊變得切實(shí)可行，可以使農(nóng)民逐漸接受這種農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治技術(shù)。例如，通過(guò)政府領(lǐng)導(dǎo)下的當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)合作社或植保服務(wù)公司，采用無(wú)人機(jī)航空植?？梢韵蜣r(nóng)民提供作物病蟲(chóng)害全程專業(yè)化防治服務(wù)。這些專業(yè)化組織將會(huì)在專用飛防農(nóng)藥劑型供銷(xiāo)全程扮演關(guān)鍵角色，而且還將負(fù)責(zé)提供無(wú)人機(jī)操控手培訓(xùn)、進(jìn)行無(wú)人機(jī)植保作業(yè)、機(jī)具維修、保險(xiǎn)、產(chǎn)品運(yùn)送和交付。專業(yè)化飛防組織還擁有不斷的飛防作業(yè)累積的經(jīng)驗(yàn)和能力，開(kāi)發(fā)專業(yè)化的病蟲(chóng)害防治體系，可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的或大規(guī)模爆發(fā)性病蟲(chóng)害防治。采用基于服務(wù)的商業(yè)模式會(huì)有助于用飛防農(nóng)藥劑型銷(xiāo)售并促進(jìn)植保無(wú)人機(jī)施藥的應(yīng)用。在一項(xiàng)新技術(shù)的推廣階段，對(duì)價(jià)格格外注重的種植戶往往會(huì)抱有觀望態(tài)度。政府推出的針對(duì)植保服務(wù)的采購(gòu)和刺激計(jì)劃，將會(huì)對(duì)農(nóng)民使用無(wú)人機(jī)植保作業(yè)的熱情產(chǎn)生積極影響，政府的采購(gòu)和支持將會(huì)鼓勵(lì)專業(yè)化植保組織和無(wú)人機(jī)生產(chǎn)廠商更多地進(jìn)行合作并且對(duì)植保服務(wù)領(lǐng)域加大投入。當(dāng)務(wù)之急，政府與政策制定者應(yīng)該發(fā)布采購(gòu)無(wú)人機(jī)植保服務(wù)的相關(guān)計(jì)劃、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與作業(yè)規(guī)范，以此對(duì)專業(yè)化病蟲(chóng)害防治組織的構(gòu)建提供足夠的支持。

（5）在日本，適用于無(wú)人機(jī)施藥的專用農(nóng)藥新劑型的發(fā)展以及傳統(tǒng)農(nóng)藥產(chǎn)品標(biāo)簽的修正為植保無(wú)人機(jī)高效施藥技術(shù)的改善提供了空間。農(nóng)藥劑型是影響農(nóng)藥實(shí)際使用效果的一個(gè)極其重要的因素，會(huì)影響霧滴霧化過(guò)程、減少霧滴飄失、提升農(nóng)藥?kù)F滴在靶標(biāo)作物表面的滯留量等。在中國(guó)與韓國(guó)等其他亞洲國(guó)家植保無(wú)人機(jī)施藥專用商品化農(nóng)藥制劑迄今尚在研發(fā)階段，適用于無(wú)人機(jī)低空低量農(nóng)藥噴灑的制劑會(huì)提升農(nóng)藥分布均勻度，降低霧滴飄失潛力。另外，用于低空低量無(wú)人機(jī)施藥的農(nóng)藥包裝上必須標(biāo)明監(jiān)管部門(mén)的授權(quán)許可標(biāo)志，但當(dāng)前的農(nóng)藥產(chǎn)品包裝上并沒(méi)有針對(duì)植保無(wú)人機(jī)航空施藥的強(qiáng)制說(shuō)明和推薦使用劑量。新興的無(wú)人機(jī)施藥方式與現(xiàn)存的農(nóng)藥產(chǎn)品標(biāo)簽不適用的問(wèn)題對(duì)于農(nóng)藥生產(chǎn)廠商和管理機(jī)構(gòu)是一個(gè)重要的問(wèn)題，未來(lái)可行的解決方法是對(duì)農(nóng)藥產(chǎn)品標(biāo)簽進(jìn)行修正或提供額外的專用說(shuō)明，產(chǎn)品包裝上需要寫(xiě)清楚針對(duì)無(wú)人機(jī)噴霧作業(yè)的最小噴霧劑量和可接受的農(nóng)藥利用率范圍。

綜上所述，考慮到植保無(wú)人機(jī)施藥的復(fù)雜性和農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，深入研究植保無(wú)人機(jī)低空低量施藥技術(shù)的迫切性不容忽視，更好的認(rèn)知新興的植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)會(huì)有助于優(yōu)化植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)，促進(jìn)農(nóng)藥的高效、安全使用，為中國(guó)乃至亞洲各國(guó)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的健康、繁榮與有序發(fā)展作出貢獻(xiàn)。