植保無人機飛行高度與方向?qū)γ尢镬F滴沉積分布的影響

胡紅巖，任相亮，姜偉麗，馬小艷，馬亞杰，王丹，馬艷

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽455000）

植保無人機飛行高度與方向?qū)γ尢镬F滴沉積分布的影響

胡紅巖，任相亮，姜偉麗，馬小艷，馬亞杰，王丹，馬艷*

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽455000）

近年來我國棉花生產(chǎn)受到棉花價格低、病蟲害嚴(yán)重、機械化水平低及其他因素的影響，植棉面積不斷縮小[1]。在棉花病蟲害防治方面，目前仍以人工打藥和地面機械噴灑為主，不僅費時、費藥，而且增加勞動力成本；面臨著現(xiàn)有植保機械落后，結(jié)構(gòu)簡單、未實現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥，在噴灑過程中容易造成噴施不均勻、重噴漏噴現(xiàn)象頻發(fā)，農(nóng)藥浪費嚴(yán)重，且病蟲害防治效果不理想等難題[2]。

近年來植保無人機發(fā)展迅猛，其噴施作業(yè)具有效率高、防治病蟲害效果好、不受地面環(huán)境限制、運行成本低、靈活性高等優(yōu)點[3]；同時由于搭載全球定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），在實際作業(yè)過程中可實現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥[4]。植保無人機在農(nóng)業(yè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，目前我國主要農(nóng)作物小麥、玉米、水稻等作物上已經(jīng)廣泛開展植保無人機噴施作業(yè)[5-6]。盡管我國無人機用于農(nóng)作物的農(nóng)藥噴灑起步較晚，但是發(fā)展迅速，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對影響無人機在農(nóng)田噴灑效果的因素開展了一些研究，主要包括噴頭類型、霧滴粒徑、飛行參數(shù)（作業(yè)高度、飛行速度等）、氣象條件（風(fēng)場）等[7-9]。植保無人機在棉花上的應(yīng)用研究相對較少，目前研究主要在植保無人機施藥參數(shù)對棉花的害蟲防治效果[10-11]及噴施脫葉劑對棉花的脫葉效果[12]方面；而對于植保無人機噴霧在棉花上的霧滴沉積分布規(guī)律卻鮮有報道。目前我國無人機生產(chǎn)廠商較多，無人機技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，不同作業(yè)參數(shù)下無人機噴施作業(yè)的霧滴沉積效果有很大差別。鑒于此，通過設(shè)置不同飛行參數(shù)，研究3WQF120-12型智能懸浮植保無人機作業(yè)高度與飛行方向?qū)F滴在棉花冠層沉積分布的影響。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及材料

本試驗采用的植保無人機型號為3WQF120-12型智能懸浮植保機，為單旋翼油動無人直升機，由安陽全豐植?？萍加邢薰咎峁?，主要性能指標(biāo)見表1。霧滴收集和處理設(shè)備包括霧滴測試卡、掃描儀、橡膠手套、自封袋等。采用風(fēng)速風(fēng)向儀監(jiān)測和記錄試驗時環(huán)境的風(fēng)速和溫度等情況。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗場地。本田間噴霧試驗于2017年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗基地 （河南省安陽市）進行，主要測試飛行高度和方向?qū)F滴沉積效果的影響。測試時棉花處于初花期，棉株平均高度為80 cm，行距為80 cm，株距為30 cm。

表1 3WQF120-12型智能懸浮植保機主要性能指標(biāo)

1.2.2作業(yè)航向與采樣點布置。試驗地選擇棉花長勢均勻的棉田，棉花南北行種植，無人機順著棉花種植行向飛行作業(yè)，在試驗區(qū)中部垂直于植保無人機作業(yè)航線的方向逐行選取1株棉花作為測試株，在棉花冠層上部倒2、倒3、倒4主莖展開葉的位置布置霧滴測試卡。以每株棉花作為1個采樣點，采樣點間隔為2株棉花的株距（0.8 m），共選擇11株棉花作為霧滴采集點。飛機航向和采樣點設(shè)置如圖1所示。

1.2.3作業(yè)參數(shù)設(shè)計。共設(shè)置6次飛行，飛行參數(shù)及環(huán)境參數(shù)如表2所示。噴灑量為12 L·hm－2。

圖1 霧滴采集卡布設(shè)示意圖

表2 無人機飛行參數(shù)及環(huán)境參數(shù)

1.2.4霧滴測試卡與試劑。本試驗用誘惑紅的水溶液替代農(nóng)藥對棉花進行噴霧，誘惑紅的質(zhì)量濃度為10 g·L－1。所用霧滴測試卡為白色銅版紙，尺寸為40 mm×60 mm，無人機噴霧后霧滴測試卡顯示紅色霧滴。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

每次飛行作業(yè)結(jié)束后，收集霧滴采集卡，并按照編號順序放入自封袋，帶回室內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理。收集的霧滴采集卡采用掃描儀掃描，采用美國農(nóng)業(yè)部研制的圖像處理軟件DepositScan進行霧滴分析，獲取不同作業(yè)參數(shù)下棉株上的霧滴密度、覆蓋率及霧滴粒徑（體積中值直徑，下同）等參數(shù)。

每個采樣點收集3個霧滴測試卡，以3個測試卡的平均值為每個采樣點的霧滴數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴沉積密度

6次噴施試驗中霧滴在各采樣點的霧滴沉積密度結(jié)果見表3。

表3 各次噴施試驗中各采集點的霧滴沉積密度 個·cm－2

由表3可知，作業(yè)高度為1 m時，無人機正向飛行的3次試驗架次中，霧滴在第4～7采樣點之間的沉積密度較大；而作業(yè)高度為1 m的逆向飛行試驗中，采樣點4～9的霧滴沉積密度較大。根據(jù)中國民用航空局發(fā)布的《中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中 《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》（MH/T 1002.1－2016）的規(guī)定，飛機采用低容量噴灑作業(yè)時，沉積在作物表面的霧滴覆蓋密度達到20個·cm－2就可認(rèn)為是在有效噴幅內(nèi)[13]。由此可見，本試驗作業(yè)高度為1 m的正向飛行，有3個采樣點在有效噴幅范圍內(nèi)，逆向飛行作業(yè)時有2個采樣點在有效噴幅范圍內(nèi)；飛行高度為3 m的正向飛行有2個采樣點在有效噴幅范圍內(nèi)；飛行高度為2 m的正向和逆向飛行均僅有1個采樣點在有效噴幅范圍內(nèi)。

第6采樣點為本次飛行作業(yè)的中心航線，從1～6試驗架次各采集點的霧滴覆蓋密度結(jié)果來看，6次飛行試驗霧滴均有不同程度的漂移，其中第2次飛行霧滴漂移最為明顯，最大霧滴密度出現(xiàn)在第3個采樣點，偏離中心航線，主要可能是受到西南風(fēng)向的影響，霧滴從作業(yè)航線的左側(cè)吹向了航線右側(cè)；而其他幾個架次作業(yè)時風(fēng)向均為南風(fēng)，影響較小。試驗結(jié)果還顯示，在第6架次飛行試驗中，11個采樣點的霧滴密度均較小，均未達到有效噴幅判定的標(biāo)準(zhǔn)，可能與本架次無人機飛行高度、作業(yè)時風(fēng)速和溫度過高有關(guān)。

2.2 霧滴覆蓋率

不同飛行架次噴施作業(yè)在11株采樣點上的霧滴覆蓋率規(guī)律與沉積密度一致（圖2）。從圖2A可以看出，正向1 m和3 m飛行試驗在中心航線附近霧滴覆蓋率較高，而正向2 m的飛行試驗受風(fēng)向的影響，覆蓋率最高值出現(xiàn)在航線右側(cè)的第3采樣點。從圖2B可以看出，飛行高度為1 m和2 m時，采樣點的霧滴密度覆蓋率均較高，主要分布在中心航線附近，且明顯大于飛行高度3 m的。這主要是因為第6架次的飛行試驗飛行高度過高，環(huán)境風(fēng)速較大，使霧滴在沉積過程中發(fā)生了較大范圍的漂移，降低了霧滴在各個采樣點的有效沉積。

圖2 正向飛行和逆向飛行的3個架次各采樣點霧滴覆蓋率

2.3 霧滴粒徑分布

由圖3A可以看出，作業(yè)高度為1 m的正向飛行試驗中，除中心航線附近第6和第7采樣點霧滴粒徑較大外，其他采樣點霧滴粒徑相對較小，為190～280 μm。這主要是由于霧滴受到無人機下壓風(fēng)場的影響，相對較大的霧滴受到的影響較小，更容易沉降在中心航線附近，而較小粒徑的霧滴更易受到風(fēng)場的作用而發(fā)生漂移。作業(yè)高度為3 m與1 m的正向飛行試驗霧滴粒徑分布呈相似趨勢，但作業(yè)高度3 m的各采樣點的霧滴粒徑較大。正向飛行高度為2 m時，霧滴體積中值直徑為220～400 μm，除第6和第 7采樣點外，其他采樣點的霧滴粒徑均大于作業(yè)高度為1 m的飛行試驗的霧滴粒徑。

圖3 正向飛行和逆向飛行的3個架次各采樣點的霧滴粒徑分布

由圖3B可以看出，逆向飛行高度為1 m時，霧滴體積中值直徑在200～530 μm，采樣點之間霧滴粒徑差異較大，且較大粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑大于300 μm）主要分布在中心航線附近。高度為2 m的逆向飛行試驗各采樣點的霧滴體積中值直徑在130～380 μm，與1 m的逆向飛行試驗霧滴呈現(xiàn)相似的分布趨勢，但各采樣點的霧滴體積中值直徑均小于1 m高度的逆向飛行試驗。而3 m高度的逆向飛行試驗采樣點較大粒徑的霧滴遠離中心航線，可能是受到較高的飛行高度和較大的環(huán)境風(fēng)速綜合影響的結(jié)果。

3 討論與結(jié)論

采用小型植保無人機對棉花進行噴施作業(yè)，通過設(shè)置不同的飛行參數(shù)來研究作業(yè)高度和飛行方向?qū)F滴在棉花冠層的沉積分布規(guī)律。從霧滴密度沉積結(jié)果來看，植保無人機作業(yè)高度為1 m時，霧滴沉積效果較好，隨著作業(yè)高度的增加，采樣點的霧滴沉積密度降低，作業(yè)有效噴幅減小。作業(yè)高度過高，霧滴更容易受到環(huán)境風(fēng)向和風(fēng)速的影響而飄失嚴(yán)重，難以在作物冠層有效沉積。不同架次噴施作業(yè)在各采樣點上的霧滴覆蓋率結(jié)果與沉積密度結(jié)果一致，作業(yè)高度為1 m的正向和逆向飛行試驗的霧滴覆蓋率較好，霧滴覆蓋率隨作業(yè)高度的增加而減小。

霧滴粒徑是評價噴霧效果的重要指標(biāo)之一，在農(nóng)藥噴施過程中，霧滴粒徑不宜過大，過大則容易造成藥液的流失，而粒徑較小的霧滴具有較好的穿透能力，在風(fēng)場的作用下容易發(fā)生漂移，更容易在昆蟲體表附著[14]。本試驗結(jié)果表明，在作業(yè)速度為5 m·s－1的情況下，作業(yè)高度為1 m時，無人機噴施作業(yè)效果較好，霧滴粒徑小，且具有較高的霧滴沉積密度和覆蓋率。

綜上所述，無人機作業(yè)高度和飛行方向?qū)F滴沉積分布有較大影響，同時環(huán)境風(fēng)場也是影響霧滴沉積結(jié)果的重要因素。因此，在棉田進行無人機噴施作業(yè)時，應(yīng)選擇在無風(fēng)或微風(fēng)的天氣作業(yè)，在保持相對作業(yè)速度為5 m·s－1的情況下，選擇1 m作為參考飛行高度有利于提高霧滴在棉花上的沉積，正向飛行作業(yè)霧滴沉積效果優(yōu)于逆向飛行作業(yè)。本研究結(jié)果可為植保無人機在棉花上的應(yīng)用與推廣提供參考。

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Effects of Flight Altitude and Direction of an Unmanned Aerial Vehicle on Droplets Deposition and Distribution in Cotton Field

Hu Hongyan,Ren Xiangliang,Jiang Weili,Ma Xiaoyan,Ma Yajie,Wang Dan,Ma Yan*

為了探究植保無人機噴施作業(yè)飛行高度和方向?qū)F滴沉積分布的影響，通過設(shè)置3WQF120-12型智能懸浮植保機的飛行高度和方向研究了不同噴霧作業(yè)參數(shù)對棉田霧滴沉積的影響。用10 g·L－1誘惑紅溶液代替農(nóng)藥在棉田進行噴灑，保持5 m·s－1的飛行速度不變，改變無人機作業(yè)高度和飛行方向進行噴霧；通過霧滴測試卡進行采樣，對霧滴采集卡進行圖片掃描，并采用圖像處理軟件DepositScan分析各處理的霧滴密度、覆蓋率及霧滴粒徑大小等參數(shù)。結(jié)果表明，在植保無人機作業(yè)速度保持為5 m·s－1的條件下，飛行作業(yè)高度為1 m時，霧滴在棉株上的沉積效果較好，且正向飛行試驗的霧滴沉積效果優(yōu)于逆向飛行。在棉田霧滴的沉積效果受到高度和方向共同作用的影響，同時環(huán)境風(fēng)向和風(fēng)速也是影響霧滴沉積的重要因素。

棉花；植保無人機；作業(yè)高度；霧滴沉積；飛行方向；霧滴密度；覆蓋率；體積中值直徑

S494：S562

A

1000-632X(2017)12-0016-05

10.11963/1000-632X.hhymy.20171206

2017-10-31 *通信作者：aymayan@126.com

“十三五”國家重點研發(fā)計劃“地面與航空高工效施藥技術(shù)及智能化裝備”（2016YFD0200700）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系——棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-18-13）