農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用效果研究

摘 要：植保無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)顯著提高了農(nóng)藥和水資源的利用效率，減少了化學(xué)農(nóng)藥的使用，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，其便捷省力的特點(diǎn)對(duì)于我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力短缺與人口老齡化的解決有著極大的意義。作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要工具，植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用價(jià)值不僅體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，其綠色化成效對(duì)全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展同樣貢獻(xiàn)巨大。通過(guò)分析我國(guó)植保無(wú)人機(jī)基本概況和農(nóng)村農(nóng)業(yè)施藥方式的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合圖像分割技術(shù)、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、圖像識(shí)別算法等，設(shè)計(jì)出了“全天候、高效率、高準(zhǔn)度、低能耗”的害蟲(chóng)識(shí)別消殺一體化無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用效果較好，可以減少防治藥劑的用量，提高作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)；生產(chǎn)成本；規(guī)?；?；綠色化

中圖分類號(hào)：S252.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）08–00-03

作為一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)航空技術(shù)，植保無(wú)人機(jī)以其高效、精準(zhǔn)、環(huán)保的特點(diǎn)，正改變著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的植保作業(yè)模式。通過(guò)使用無(wú)人機(jī)搭載的傳感器和圖像處理技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控農(nóng)田的生長(zhǎng)狀況和病蟲(chóng)害情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，從而實(shí)現(xiàn)精確施肥和精準(zhǔn)噴藥。植保無(wú)人機(jī)不僅顯著降低了化學(xué)農(nóng)藥的使用量，減少了環(huán)境污染，還提高了農(nóng)藥的利用效率，避免了藥劑浪費(fèi)。

1 我國(guó)農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)基本概況

1.1 大規(guī)模應(yīng)用

植保無(wú)人機(jī)可以輕松覆蓋大面積的農(nóng)田，相較于傳統(tǒng)的植保方法如人工背負(fù)式噴霧器，無(wú)人機(jī)大幅減少了對(duì)人力的依賴和整體作業(yè)的時(shí)間消耗。實(shí)際應(yīng)用效果顯示，植保無(wú)人機(jī)的噴灑效率是傳統(tǒng)手工噴灑的30倍以上，不僅提高了作業(yè)效率，還顯著降低了勞動(dòng)成本。

1.2 環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展

植保無(wú)人機(jī)配備高精度的GPS和先進(jìn)的傳感器，能夠精確控制藥劑的使用量和噴灑位置，顯著減少農(nóng)藥和化肥的使用量，這不僅減少了化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，還減少了農(nóng)作物的藥物殘留。

1.3 技術(shù)創(chuàng)新

隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)的性能和功能不斷提升。例如，通過(guò)配備實(shí)時(shí)圖像識(shí)別技術(shù)，無(wú)人機(jī)可以在飛行中即時(shí)識(shí)別病蟲(chóng)害種類，自動(dòng)調(diào)整藥劑類型和噴灑量，這些技術(shù)創(chuàng)新極大地提高了植保無(wú)人機(jī)的智能化水平和作業(yè)準(zhǔn)確性。

1.4 政策支持

隨著政策的扶持和市場(chǎng)需求的增加，植保無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。2017年以來(lái)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部通過(guò)實(shí)施農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)的規(guī)范應(yīng)用，無(wú)人機(jī)的年銷量從2017年的不足1 000架增至2020年的1.53萬(wàn)架，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到25億元，同比增長(zhǎng)44.5%，年作業(yè)面積近0.2億 hm2。

2 農(nóng)村農(nóng)業(yè)施藥方式的應(yīng)用現(xiàn)狀

第一，施藥器械落后，農(nóng)藥利用率不高。在農(nóng)村地區(qū)，大部分農(nóng)民仍采用背負(fù)式噴霧器，該施藥模式平均作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)效率低于植保無(wú)人機(jī)作業(yè)。研究數(shù)據(jù)顯示，植保無(wú)人機(jī)作業(yè)效率是電動(dòng)背負(fù)式噴霧器作業(yè)效率的23.7倍。已有研究表明傳統(tǒng)除蟲(chóng)方式的農(nóng)藥有效附著率僅不到10%，這表明有大量浪費(fèi)的農(nóng)藥進(jìn)入分作業(yè)環(huán)境，在污染環(huán)境的同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本。

第二，農(nóng)藥殘留超標(biāo)，生產(chǎn)中毒問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。由于利用率低，治理效果不佳，農(nóng)民為避免蟲(chóng)害的發(fā)生不得不重復(fù)噴灑，形成惡性循環(huán)，出現(xiàn)了不斷重復(fù)大量噴灑農(nóng)藥致使莊稼農(nóng)藥殘存率超標(biāo)的現(xiàn)象。聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)每年有價(jià)值74億美元的出口商品為此受到影響。此外，我國(guó)每年農(nóng)忙正值夏季，農(nóng)民衣衫單薄，若不做好有效防護(hù)，霧化農(nóng)藥極易進(jìn)入農(nóng)民的體內(nèi)，危害農(nóng)民身體健康。

第三，土地流轉(zhuǎn)，農(nóng)村人口老齡化對(duì)植保無(wú)人需求巨大。當(dāng)前，我國(guó)老人規(guī)模不斷擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)方面出現(xiàn)勞動(dòng)力減少等問(wèn)題。土地流轉(zhuǎn)政策的出臺(tái)，對(duì)于土地承包大戶而言，招募大量的人工作業(yè)無(wú)疑會(huì)增加用工成本，也會(huì)出現(xiàn)工人難以招募的情況。而植保無(wú)人機(jī)高效集約成本低的優(yōu)點(diǎn)順應(yīng)了該趨勢(shì)，有效緩解了勞動(dòng)力不足的問(wèn)題。通過(guò)采取植保專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍帶動(dòng)農(nóng)民的方式，充分挖掘農(nóng)業(yè)植保技術(shù)的價(jià)值，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，帶動(dòng)植保相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

3 農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)帶來(lái)的效益

3.1 經(jīng)濟(jì)成本方面

在經(jīng)濟(jì)成本方面，通過(guò)農(nóng)業(yè)行業(yè)觀察調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)人工防治方法，植保無(wú)人機(jī)的噴灑效率是傳統(tǒng)人工的15～80倍，農(nóng)藥使用量、用水量分別比傳統(tǒng)人工至少節(jié)約50%和90%。植保無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載傳感器和攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田狀況，并精確施藥、施肥、灌溉，以應(yīng)對(duì)病蟲(chóng)害、雜草等問(wèn)題，在節(jié)約成本的同時(shí)保證作物的產(chǎn)量。以日照市為例，在應(yīng)用無(wú)人機(jī)后，其用藥效率高于常規(guī)作業(yè)數(shù)值10倍以上，同時(shí)節(jié)約近50%的農(nóng)藥使用量、90%的用水量，防治面積在3.33 hm2以上，平均作業(yè)成本10元/667 m2左右[1]。

3.2 施藥效率方面

在施藥效率方面，無(wú)人機(jī)能夠快速覆蓋大片農(nóng)田，并在發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)害或其他問(wèn)題時(shí)迅速采取行動(dòng)，防止問(wèn)題擴(kuò)大，保護(hù)作物生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高產(chǎn)量。研究表明，植保無(wú)人機(jī)作業(yè)效率為傳統(tǒng)電動(dòng)噴霧器的23.7倍，作業(yè)成本大幅度減少，在規(guī)?；鳂I(yè)方面發(fā)展前景良好[2]。以大疆GM-1為例，每次作業(yè)面積為

1 hm2，效率為人工作業(yè)的40～60倍，單次作業(yè)防治面積擴(kuò)大，農(nóng)藥利用率提高，農(nóng)藥使用成本降低，生產(chǎn)效率提高，使農(nóng)民收入有效增長(zhǎng)。

3.3 生態(tài)農(nóng)業(yè)方面

第一，為了減少蟲(chóng)害，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方法常大規(guī)模噴灑農(nóng)藥，導(dǎo)致農(nóng)藥浪費(fèi)，且農(nóng)藥具有毒性，給土壤、水資源等環(huán)境帶來(lái)不良影響，同時(shí)還需要大量人力物力進(jìn)行噴施，生產(chǎn)成本較高。植保無(wú)人機(jī)通過(guò)精確定位和智能化控制，對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的噴灑操作，顯著減少了農(nóng)藥的消耗和浪費(fèi)，也降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的污染。因此，植保無(wú)人機(jī)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中不可或缺的技術(shù)支撐。根據(jù)相關(guān)研究，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑的效率可以超過(guò)90%，表明該技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法[3]。

第二，無(wú)人機(jī)具備搭載多種設(shè)備的能力，可實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警病蟲(chóng)害，協(xié)助農(nóng)民及時(shí)實(shí)施相應(yīng)的預(yù)防措施，以減輕病蟲(chóng)害對(duì)農(nóng)作物造成的損害，更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境[4]。無(wú)人機(jī)具有作業(yè)效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，能夠有效緩解當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力不足的問(wèn)題。利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展作業(yè)，能夠精準(zhǔn)地控制農(nóng)藥的使用量和適用范圍，不需要大量人員操作，有效降低勞動(dòng)力成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展依賴于科技創(chuàng)新，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的過(guò)程中，科技水平的不斷提高促使植保無(wú)人機(jī)迅速發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)大的支撐，取得了顯著的成效。

3.4 低碳環(huán)保方面

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)也面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式往往伴隨著高能耗、高排放等問(wèn)題，而植保無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)低碳革命提供了新的契機(jī)。

在減少能源方面，相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械，植保無(wú)人機(jī)具有更低的能耗。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中需要大量的燃油消耗，植保無(wú)人機(jī)則采用電力驅(qū)動(dòng)，具有更低的能耗和排放，還可以在短時(shí)間內(nèi)完成大面積的農(nóng)田作業(yè)，進(jìn)一步提高能源利用效率。

在推動(dòng)低碳環(huán)保方面，植保無(wú)人機(jī)發(fā)揮著重要作用。通過(guò)精準(zhǔn)施藥、施肥等作業(yè)，植保無(wú)人機(jī)可以減少化學(xué)藥劑的過(guò)量使用，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放。并且植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中無(wú)需燃油消耗，減少了溫室氣體的排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的決策支持，推動(dòng)農(nóng)業(yè)向更加環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)展。

作為一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)航空技術(shù)，植保無(wú)人機(jī)具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)減少能源消耗、推動(dòng)低碳環(huán)保等方式，為農(nóng)業(yè)低碳革命提供了新的契機(jī)。

4 農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用效果

項(xiàng)目組推動(dòng)設(shè)計(jì)的新型植保無(wú)人機(jī)將圖像分割技術(shù)、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、圖像識(shí)別算法等相結(jié)合，設(shè)計(jì)出“全天候、高效率、高準(zhǔn)度、低能耗”的害蟲(chóng)識(shí)別消殺一體化無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用形態(tài)學(xué)結(jié)合算法，有效地將害蟲(chóng)與背景分離，該系統(tǒng)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的VGG16模型和SIM900A遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)。

4.1 農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

4.1.1 圖像分割技術(shù)

應(yīng)用算法：結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，該系統(tǒng)有效地將害蟲(chóng)圖像與背景分離，這一步驟是害蟲(chóng)識(shí)別過(guò)程中的關(guān)鍵，確保了后續(xù)處理的準(zhǔn)確性。

優(yōu)化處理：采用自適應(yīng)閾值處理技術(shù)優(yōu)化圖像分割結(jié)果，減少環(huán)境因素如光照和陰影對(duì)害蟲(chóng)識(shí)別的干擾。

4.1.2 遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)

核心技術(shù)：使用SIM900A模塊，支持GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，保證了數(shù)據(jù)在大面積農(nóng)田中的長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸，極大地減少了數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性：系統(tǒng)具備自動(dòng)重連功能，即使在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中通信中斷，也能快速恢復(fù)連接，保證作業(yè)的連續(xù)性。

4.1.3 圖像識(shí)別算法

深度學(xué)習(xí)模型：采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的VGG16模型，這一模型已廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別領(lǐng)域，特別適合用于處理農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)圖像的識(shí)別問(wèn)題。

算法優(yōu)勢(shì)：VGG16模型因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔且深度適中，使得識(shí)別過(guò)程既高效又準(zhǔn)確，能夠處理各種復(fù)雜的害蟲(chóng)識(shí)別場(chǎng)景。

4.1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)與成本效益

全天候操作：系統(tǒng)能滿足各種氣候條件下的操作需求，無(wú)論是陰雨天還是晴朗天氣，均能穩(wěn)定工作。

高效率與低能耗：優(yōu)化的飛行路徑和智能化的作業(yè)計(jì)劃大幅提高了作業(yè)效率，同時(shí)系統(tǒng)的低能耗設(shè)計(jì)減少了運(yùn)行成本。

經(jīng)濟(jì)性：與傳統(tǒng)的人工噴灑相比，無(wú)人機(jī)的使用大幅度降低了人工成本和時(shí)間成本，農(nóng)藥使用的精準(zhǔn)性也顯著減少了農(nóng)藥的總體使用量，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

環(huán)境影響：精確控制的噴灑量和精準(zhǔn)的作業(yè)區(qū)域定位，顯著減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)，符合當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。

4.2 應(yīng)用效果

項(xiàng)目組采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的VGG16模型和圖像分割技術(shù)識(shí)別農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)，并根據(jù)無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥的特點(diǎn)，使用專門設(shè)計(jì)的高濃縮劑型農(nóng)藥，用量少、顆粒細(xì)，相較于人工作業(yè)可大幅度減少田間病蟲(chóng)害防治藥劑的用量。

在小麥赤霉病防治的植保無(wú)人機(jī)與傳統(tǒng)施藥機(jī)械效果的田間比較試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)的病指防效達(dá)到87.9%，與效果最好的背負(fù)式電動(dòng)噴霧器相比沒(méi)有顯著差異；通過(guò)空白對(duì)照，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)處理小麥的產(chǎn)量增幅較背負(fù)式電動(dòng)噴霧器處理減少了1.91個(gè)百分點(diǎn)，但其機(jī)械效率是背負(fù)式電動(dòng)噴霧器的19倍，成本降低了90.24%[5]。在水稻二化螟和紋枯病防治過(guò)程中，與傳統(tǒng)防治方式相比，無(wú)人機(jī)在防治效果相當(dāng)?shù)那闆r下能減少10%的藥劑使用量，節(jié)水率高達(dá)98%以上，有效解決了農(nóng)藥造成的環(huán)境污染問(wèn)題[6]。

同時(shí)，配備了害蟲(chóng)識(shí)別消殺一體化無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的植保無(wú)人機(jī)藥劑使用量可縮減至原藥劑使用量的85%，大幅度減少了用藥成本，提高了用藥效率?？傮w而言，

無(wú)人機(jī)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)顯著，主要體現(xiàn)在低空低容量噴霧、精準(zhǔn)靶向噴灑，避免了農(nóng)藥漂移和流失問(wèn)題出現(xiàn)，在提高防治效果和效率方面具有顯著價(jià)值。

5 農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用的市場(chǎng)前景

植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用的市場(chǎng)前景十分廣闊，截至目前，植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到數(shù)十億美元。隨著植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷成熟和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)擴(kuò)大[7]。經(jīng)行業(yè)分析和市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年內(nèi)，植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)有望繼續(xù)保持穩(wěn)健增長(zhǎng)，復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）可能超過(guò)10%。2019年，中國(guó)植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為46.60億元；2020年，受5G應(yīng)用和無(wú)人機(jī)技術(shù)革新等因素的影響，植保無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模增至67.9億元。

多年來(lái)，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)保有量持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年植保無(wú)人機(jī)保有量為6 500架，而截至2019年底，我國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)170多種植保無(wú)人機(jī)，保有量超過(guò)5.5萬(wàn)架，2020年我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的數(shù)量大幅度增加至10萬(wàn)架。

放眼國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)， 中國(guó)是全球最大的農(nóng)業(yè)國(guó)之一，擁有廣闊的農(nóng)田面積和龐大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化水平的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)高效、精準(zhǔn)、綠色的農(nóng)業(yè)植保技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)。許多國(guó)家和地區(qū)也面臨著類似中國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化轉(zhuǎn)型的需求，因此，農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)技術(shù)具有較強(qiáng)的國(guó)際市場(chǎng)拓展?jié)摿?。同時(shí)，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，來(lái)自美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的企業(yè)也在積極布局農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來(lái)了革命性的進(jìn)步，通過(guò)開(kāi)展高效率的植保作業(yè)，顯著提高了農(nóng)藥和水資源的使用效率，減少了對(duì)環(huán)境的影響。還通過(guò)精確控制，減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化學(xué)藥品的使用，保護(hù)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，這種資源的高效利用對(duì)于資源保護(hù)和成本控制至關(guān)重要。此外，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用大幅提高了作業(yè)效率，降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，使得農(nóng)業(yè)管理更加科學(xué)和精細(xì)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟與市場(chǎng)的擴(kuò)展，植保無(wú)人機(jī)將更有效地促進(jìn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化、智能化和綠色化發(fā)展，為全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)重要力量。

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