植保無人機(jī)作物生產(chǎn)應(yīng)用研究進(jìn)展

張延發(fā) 周婧 袁敏敏 高輝 吳成偉 鄭介松

摘 要：該文闡述了國內(nèi)外植保無人機(jī)在農(nóng)作物生產(chǎn)上應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納了農(nóng)用植保無人機(jī)作業(yè)相較于其他植保作業(yè)方式的優(yōu)勢與特點(diǎn)，分析了植保無人機(jī)發(fā)展和推廣中存在的問題，并展望了植保無人機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；植保；作物生產(chǎn)

中圖分類號 S252.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）22-0058-03

Abstract：The paper expounded the current status of plant protection applications at home and abroad，and summarized the advantages and characteristics of agricultural plant protection UAV operation compared with operations. The problems in developing and promoting plant protection UAV were also analyzed，and the paper prospected the development trend of plant protection UAV in crop production applications.

Key words：UAV；Plant protection；Crop production

農(nóng)藥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，農(nóng)藥的施用對于保障我國糧食安全具有重要意義。然而，過頻過量施用農(nóng)藥，不僅威脅到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，而且導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染加重、農(nóng)業(yè)投入品資源浪費(fèi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本增加等問題，不符合農(nóng)業(yè)綠色化、高質(zhì)化的發(fā)展方向。如何高效精準(zhǔn)施藥已成為作物生產(chǎn)領(lǐng)域的重要課題，其中新一代植保無人機(jī)的示范推廣應(yīng)用是其關(guān)鍵突破口[1]。

目前，農(nóng)作物生產(chǎn)中的施藥方式以人工背負(fù)式、高地隙自走式噴桿噴霧為主，而植保無人機(jī)施藥僅占1%。人工背負(fù)式施藥雖具有隨時隨地作業(yè)、簡便易用的優(yōu)點(diǎn)，但存在藥液用量大、作業(yè)效率低、農(nóng)藥殘留多等問題。高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)適用于水田、旱田作物和菜地的除草、殺蟲、滅菌等的噴灑作業(yè)，具有機(jī)械化自動化程度高、通過性好、施藥精準(zhǔn)高效等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一次性投入成本高、坡地易傾覆、作物碾壓損傷相對大等問題。而植保無人機(jī)具有施藥效率和自動化程度高、能耗低、對作物無植傷、不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

1 國內(nèi)外植保無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外 1985年，世界第1臺噴藥無人機(jī)R-50肇始于日本Yamaha公司，成為航空植保的重要里程碑與植保無人機(jī)的發(fā)端[2]。日本山地多、田塊小而散，加之農(nóng)業(yè)勞力短缺、人口老齡化等，促使植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展，是無人機(jī)飛防最為成熟的國家。日本現(xiàn)擁有登記在冊的植保無人機(jī)3000多架，作業(yè)面積超過100萬hm2。日本擁有大量的無人機(jī)培訓(xùn)與保險服務(wù)公司，為無人機(jī)飛防全產(chǎn)業(yè)體系的服務(wù)精細(xì)化和完備化提供了可靠的保障。美國的農(nóng)作物生產(chǎn)以大農(nóng)場為主，經(jīng)營規(guī)模大，往往使用載重量更大、續(xù)航時更長、工效比更高的有人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)。其商業(yè)化無人機(jī)主要用于精準(zhǔn)遙感監(jiān)測與圖像識別，在農(nóng)藥噴灑領(lǐng)域發(fā)展不快。韓國90%以上的植保無人機(jī)從中國進(jìn)口，各地農(nóng)業(yè)協(xié)會擁有的植保無人機(jī)數(shù)量占總數(shù)的80%[3-4]。此外，歐盟國家、巴西、阿根廷、澳大利亞等都已將無人機(jī)應(yīng)用于植保作業(yè)。

1.2 國內(nèi) 2004年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所等機(jī)構(gòu)開展了農(nóng)用植保無人機(jī)的研究與推廣工作。2010年，我國第1架商業(yè)農(nóng)用植保無人機(jī)問世。在科技創(chuàng)新的驅(qū)動下，大疆、極飛、漢和、高科新農(nóng)等一批無人機(jī)的品牌紛紛涉足作物生產(chǎn)領(lǐng)域。新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2017—2021年植保無人機(jī)行業(yè)市場現(xiàn)狀及投資前景預(yù)測報告》顯示，截至2016年6月，我國農(nóng)用植保無人機(jī)的保有量已達(dá)到4890架，成為全球農(nóng)用植保無人機(jī)保有量第一的國家。有研究認(rèn)為，預(yù)計(jì)到2020年，我國植保無人機(jī)需求量將達(dá)10萬架，從事飛防員培訓(xùn)派遣服務(wù)、無人機(jī)維修保養(yǎng)物流服務(wù)、噴灑植保服務(wù)、無人機(jī)租賃銷售、專用農(nóng)藥研發(fā)銷售等的從業(yè)人員需求量將超過40萬人。為了大力推進(jìn)農(nóng)藥減量控害，積極探索產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路，2015年2月農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動方案》，要求提升裝備水平，加快轉(zhuǎn)變病蟲害防控方式，大規(guī)模開展專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治，推行植保機(jī)械與農(nóng)藝配套，提高防治效率、效果和效益，解決1家1戶“打藥難”“亂打藥”等問題。目前，河南、福建、山東、江蘇、浙江、安徽等省份紛紛推行農(nóng)用植保無人機(jī)省內(nèi)補(bǔ)貼政策，惠及一批病蟲防治專業(yè)化服務(wù)組織、新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體[5-7]。可見，植保無人機(jī)作業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、綠色化、高質(zhì)量發(fā)展的重大需求和必然選擇。

2 植保無人機(jī)的類型與作業(yè)優(yōu)勢

2.1 類型 （1）按能源動力劃分，可分為油動和電動2類。油動植保無人機(jī)具有載荷大、續(xù)航長等優(yōu)點(diǎn)，但存在燃料使用污染大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而維護(hù)難、造價高等缺點(diǎn)。電動植保無人機(jī)的優(yōu)勢則在于綠色環(huán)保、易于操作、易于維護(hù)、造價低等，缺點(diǎn)是載荷少、續(xù)航短。在作物生產(chǎn)高質(zhì)量、綠色化發(fā)展的新時代，電動植保無人機(jī)更具有生命力和發(fā)展的活力。（2）按機(jī)型結(jié)構(gòu)分類，可分為固定翼和多旋翼2類。固定翼植保無人機(jī)具有穩(wěn)定向下的大風(fēng)場，霧化效果好，藥物穿透力強(qiáng)，抗風(fēng)性較強(qiáng)。多旋翼植保無人機(jī)造價相對低、易于操作，但風(fēng)場小、抗風(fēng)性較弱、藥物穿透力有限[8]?？梢?，固定翼電動植保無人機(jī)更具推廣應(yīng)用價值。

2.2 作業(yè)優(yōu)勢 一是廣適性強(qiáng)?？刹皇艿匦蔚孛蚕拗?，在狹小不規(guī)整田塊、水田、沼澤地、丘陵地區(qū)等實(shí)現(xiàn)作業(yè)。二是綠色環(huán)保。與傳統(tǒng)方式相比，采用無人機(jī)噴藥，農(nóng)藥利用率高、殘留少，減少了對水土氣等的污染[9]，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平得到提升。三是精準(zhǔn)可靠。一般為近地作業(yè)，導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)，可遠(yuǎn)距離操控，風(fēng)場穩(wěn)定向下，利用霧化器將含有飛防助劑的藥液進(jìn)行霧化沉降，自動工作，操作簡便。四是工效比高。以極飛植保無人機(jī)為例，其噴灑工效約是傳統(tǒng)人工的60倍，每天可作業(yè)20hm2以上。

3 植保無人機(jī)的性能比較

農(nóng)用無人機(jī)用途很多，可用于施藥、施肥、播種、授粉、測量、航拍、圖像識別等方面[10]，其中植保無人機(jī)在作物生產(chǎn)上應(yīng)用最為廣泛。本文以中農(nóng)網(wǎng)購（江蘇）電子商務(wù)有限公司為例，對其購置并已開展作物生產(chǎn)應(yīng)用的3款植保無人機(jī)進(jìn)行了性能參數(shù)比較（表1）。

單旋翼電動植保無人機(jī)體積大、飛機(jī)質(zhì)量重、續(xù)航時間長，且載荷重、噴頭數(shù)量多、有效噴幅廣；而多旋翼電動植保無人機(jī)可折疊，方便攜帶，便于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場規(guī)模化作業(yè)，且其是對稱的多旋翼，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定牢固平衡。3款植保無人機(jī)中，極飛植保無人機(jī)可搭載多個不同的定位模塊，其中包括國產(chǎn)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全自主飛行，精度可達(dá)1～2m，作業(yè)更加精準(zhǔn)[11-12]，性能更加高端，更符合植保無人機(jī)發(fā)展方向。

4 制約因素

根據(jù)《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》（2017），2016年全省水稻種植面積為229.5萬hm2，小麥為219.0萬hm2，稻麥占全省總播種面積的58.4%。水稻施藥至少“3防2控”，小麥?zhǔn)┧幹辽佟?噴3防”，稻麥作物全生育期施藥次數(shù)多，且面積廣大，因而對于植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展蘊(yùn)涵著巨大的機(jī)遇。然而，植保無人機(jī)在作物生產(chǎn)應(yīng)用上，尚面臨著一系列問題有待解決。

4.1 購機(jī)成本高昂 以極飛植保無人機(jī)為例，P30植保無人機(jī)（載重15kg）單機(jī)價格6萬元，P20植保無人機(jī)（載重10kg）單機(jī)價格5萬元，且一般要增配電池，加之需不定期維護(hù)檢修，存在其他可能的支出。高標(biāo)配、重載荷、長航時的植保無人機(jī)單機(jī)購機(jī)成本則在10萬元以上。雖然植保無人機(jī)逐步加入試點(diǎn)補(bǔ)貼，但用戶仍需支付不少費(fèi)用。這導(dǎo)致一般的農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體購機(jī)意愿不強(qiáng)，經(jīng)營面積大的購機(jī)少了難以實(shí)現(xiàn)全面飛防，經(jīng)營面積小的一般采用人工背負(fù)式施藥降本。植保專業(yè)合作社等也因自身財力和服務(wù)范圍有限，購機(jī)積極性也不高，跨地區(qū)服務(wù)則面臨交通運(yùn)輸費(fèi)用大的制約。

4.2 配套服務(wù)不足 植保無人機(jī)操作人員需通過中國航空器擁有者及駕駛員協(xié)會（AOPA）組織的中國民航無人機(jī)駕駛員合格證考試，一般農(nóng)業(yè)從業(yè)人員參訓(xùn)參考者甚少，造成了職業(yè)飛手短缺，制約了植保無人機(jī)的更大面積示范推廣應(yīng)用。同時，缺少植保無人機(jī)方面的保險機(jī)制，不能有效規(guī)避植保無人機(jī)作業(yè)失誤、自然災(zāi)害影響等潛在風(fēng)險。

4.3 作業(yè)規(guī)則缺失 國內(nèi)植保無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已超過100家。不同品牌的植保無人機(jī)在最大起飛重量、農(nóng)藥容器容量、續(xù)航時間、有效噴幅等參數(shù)方面差異較大，缺少簡化統(tǒng)一協(xié)調(diào)選優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。植保無人機(jī)生產(chǎn)作業(yè)服務(wù)商單位面積作業(yè)收費(fèi)高，且標(biāo)準(zhǔn)不一。如水稻單次作業(yè)收費(fèi)達(dá)120～150元/hm2不等，使得農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體想用用不起、一次性付款有壓力。同時，植保無人機(jī)廠家、服務(wù)商、農(nóng)民專業(yè)合作社、家庭農(nóng)場、保險商等之間缺少利益聯(lián)接、組合共贏機(jī)制，往往各自為政、單打獨(dú)斗，一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展不足。

5 發(fā)展趨勢

植保無人機(jī)集省力化、綠色化、自動化、智能化特征于一體，契合我國推進(jìn)工業(yè)化、信息化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展與實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略等的重大需求，是實(shí)現(xiàn)新時代作物生產(chǎn)全程機(jī)械化的關(guān)鍵裝備，有著巨大的市場空間與廣闊的發(fā)展前景。

為了更好地服務(wù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，應(yīng)加快研發(fā)自主航線規(guī)劃、自主導(dǎo)航、自主作業(yè)、自主懸停、重載荷、長航時[13-14]、輕機(jī)重、高質(zhì)量、低成本、易維護(hù)的新一代植保無人機(jī)及其移動端操作平臺[15-16]，優(yōu)化設(shè)計(jì)強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕的噴桿[17]，改良噴嘴[18-19]，創(chuàng)新作物全生產(chǎn)季綠色農(nóng)藥套餐及精準(zhǔn)植保技術(shù)，提供全程服務(wù)，規(guī)范作業(yè)規(guī)則，顯著提升植保無人機(jī)科技含量與作業(yè)質(zhì)效，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)提質(zhì)減藥保效目標(biāo)，助力產(chǎn)業(yè)興旺與鄉(xiāng)村振興。

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（責(zé)編：張宏民）