植保无人机飞行高度与方向对棉田雾滴沉积分布的影响

胡红岩，任相亮，姜伟丽，马小艳，马亚杰，王丹，马艳

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

植保无人机飞行高度与方向对棉田雾滴沉积分布的影响

胡红岩，任相亮，姜伟丽，马小艳，马亚杰，王丹，马艳*

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

近年来我国棉花生产受到棉花价格低、病虫害严重、机械化水平低及其他因素的影响，植棉面积不断缩小[1]。在棉花病虫害防治方面，目前仍以人工打药和地面机械喷洒为主，不仅费时、费药，而且增加劳动力成本；面临着现有植保机械落后，结构简单、未实现精准变量施药，在喷洒过程中容易造成喷施不均匀、重喷漏喷现象频发，农药浪费严重，且病虫害防治效果不理想等难题[2]。

近年来植保无人机发展迅猛，其喷施作业具有效率高、防治病虫害效果好、不受地面环境限制、运行成本低、灵活性高等优点[3]；同时由于搭载全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS），在实际作业过程中可实现精准变量施药[4]。植保无人机在农业方面具有广阔的应用前景，目前我国主要农作物小麦、玉米、水稻等作物上已经广泛开展植保无人机喷施作业[5-6]。尽管我国无人机用于农作物的农药喷洒起步较晚，但是发展迅速，国内学者已经对影响无人机在农田喷洒效果的因素开展了一些研究，主要包括喷头类型、雾滴粒径、飞行参数（作业高度、飞行速度等）、气象条件（风场）等[7-9]。植保无人机在棉花上的应用研究相对较少，目前研究主要在植保无人机施药参数对棉花的害虫防治效果[10-11]及喷施脱叶剂对棉花的脱叶效果[12]方面；而对于植保无人机喷雾在棉花上的雾滴沉积分布规律却鲜有报道。目前我国无人机生产厂商较多，无人机技术参数标准不一，不同作业参数下无人机喷施作业的雾滴沉积效果有很大差别。鉴于此，通过设置不同飞行参数，研究3WQF120-12型智能悬浮植保无人机作业高度与飞行方向对雾滴在棉花冠层沉积分布的影响。

1 材料与方法

1.1 设备及材料

本试验采用的植保无人机型号为3WQF120-12型智能悬浮植保机，为单旋翼油动无人直升机，由安阳全丰植保科技有限公司提供，主要性能指标见表1。雾滴收集和处理设备包括雾滴测试卡、扫描仪、橡胶手套、自封袋等。采用风速风向仪监测和记录试验时环境的风速和温度等情况。

1.2 试验方法

1.2.1试验场地。本田间喷雾试验于2017年在中国农业科学院棉花研究所试验基地 （河南省安阳市）进行，主要测试飞行高度和方向对雾滴沉积效果的影响。测试时棉花处于初花期，棉株平均高度为80 cm，行距为80 cm，株距为30 cm。

表1 3WQF120-12型智能悬浮植保机主要性能指标

1.2.2作业航向与采样点布置。试验地选择棉花长势均匀的棉田，棉花南北行种植，无人机顺着棉花种植行向飞行作业，在试验区中部垂直于植保无人机作业航线的方向逐行选取1株棉花作为测试株，在棉花冠层上部倒2、倒3、倒4主茎展开叶的位置布置雾滴测试卡。以每株棉花作为1个采样点，采样点间隔为2株棉花的株距（0.8 m），共选择11株棉花作为雾滴采集点。飞机航向和采样点设置如图1所示。

1.2.3作业参数设计。共设置6次飞行，飞行参数及环境参数如表2所示。喷洒量为12 L·hm－2。

图1 雾滴采集卡布设示意图

表2 无人机飞行参数及环境参数

1.2.4雾滴测试卡与试剂。本试验用诱惑红的水溶液替代农药对棉花进行喷雾，诱惑红的质量浓度为10 g·L－1。所用雾滴测试卡为白色铜版纸，尺寸为40 mm×60 mm，无人机喷雾后雾滴测试卡显示红色雾滴。

1.3 数据采集与处理

每次飞行作业结束后，收集雾滴采集卡，并按照编号顺序放入自封袋，带回室内进行数据处理。收集的雾滴采集卡采用扫描仪扫描，采用美国农业部研制的图像处理软件DepositScan进行雾滴分析，获取不同作业参数下棉株上的雾滴密度、覆盖率及雾滴粒径（体积中值直径，下同）等参数。

每个采样点收集3个雾滴测试卡，以3个测试卡的平均值为每个采样点的雾滴数据。

2 结果与分析

2.1 雾滴沉积密度

6次喷施试验中雾滴在各采样点的雾滴沉积密度结果见表3。

表3 各次喷施试验中各采集点的雾滴沉积密度 个·cm－2

由表3可知，作业高度为1 m时，无人机正向飞行的3次试验架次中，雾滴在第4～7采样点之间的沉积密度较大；而作业高度为1 m的逆向飞行试验中，采样点4～9的雾滴沉积密度较大。根据中国民用航空局发布的《中华人民共和国民用航空行业标准》中 《农业航空作业质量技术指标》（MH/T 1002.1－2016）的规定，飞机采用低容量喷洒作业时，沉积在作物表面的雾滴覆盖密度达到20个·cm－2就可认为是在有效喷幅内[13]。由此可见，本试验作业高度为1 m的正向飞行，有3个采样点在有效喷幅范围内，逆向飞行作业时有2个采样点在有效喷幅范围内；飞行高度为3 m的正向飞行有2个采样点在有效喷幅范围内；飞行高度为2 m的正向和逆向飞行均仅有1个采样点在有效喷幅范围内。

第6采样点为本次飞行作业的中心航线，从1～6试验架次各采集点的雾滴覆盖密度结果来看，6次飞行试验雾滴均有不同程度的漂移，其中第2次飞行雾滴漂移最为明显，最大雾滴密度出现在第3个采样点，偏离中心航线，主要可能是受到西南风向的影响，雾滴从作业航线的左侧吹向了航线右侧；而其他几个架次作业时风向均为南风，影响较小。试验结果还显示，在第6架次飞行试验中，11个采样点的雾滴密度均较小，均未达到有效喷幅判定的标准，可能与本架次无人机飞行高度、作业时风速和温度过高有关。

2.2 雾滴覆盖率

不同飞行架次喷施作业在11株采样点上的雾滴覆盖率规律与沉积密度一致（图2）。从图2A可以看出，正向1 m和3 m飞行试验在中心航线附近雾滴覆盖率较高，而正向2 m的飞行试验受风向的影响，覆盖率最高值出现在航线右侧的第3采样点。从图2B可以看出，飞行高度为1 m和2 m时，采样点的雾滴密度覆盖率均较高，主要分布在中心航线附近，且明显大于飞行高度3 m的。这主要是因为第6架次的飞行试验飞行高度过高，环境风速较大，使雾滴在沉积过程中发生了较大范围的漂移，降低了雾滴在各个采样点的有效沉积。

图2 正向飞行和逆向飞行的3个架次各采样点雾滴覆盖率

2.3 雾滴粒径分布

由图3A可以看出，作业高度为1 m的正向飞行试验中，除中心航线附近第6和第7采样点雾滴粒径较大外，其他采样点雾滴粒径相对较小，为190～280 μm。这主要是由于雾滴受到无人机下压风场的影响，相对较大的雾滴受到的影响较小，更容易沉降在中心航线附近，而较小粒径的雾滴更易受到风场的作用而发生漂移。作业高度为3 m与1 m的正向飞行试验雾滴粒径分布呈相似趋势，但作业高度3 m的各采样点的雾滴粒径较大。正向飞行高度为2 m时，雾滴体积中值直径为220～400 μm，除第6和第 7采样点外，其他采样点的雾滴粒径均大于作业高度为1 m的飞行试验的雾滴粒径。

图3 正向飞行和逆向飞行的3个架次各采样点的雾滴粒径分布

由图3B可以看出，逆向飞行高度为1 m时，雾滴体积中值直径在200～530 μm，采样点之间雾滴粒径差异较大，且较大粒径的雾滴（雾滴体积中值直径大于300 μm）主要分布在中心航线附近。高度为2 m的逆向飞行试验各采样点的雾滴体积中值直径在130～380 μm，与1 m的逆向飞行试验雾滴呈现相似的分布趋势，但各采样点的雾滴体积中值直径均小于1 m高度的逆向飞行试验。而3 m高度的逆向飞行试验采样点较大粒径的雾滴远离中心航线，可能是受到较高的飞行高度和较大的环境风速综合影响的结果。

3 讨论与结论

采用小型植保无人机对棉花进行喷施作业，通过设置不同的飞行参数来研究作业高度和飞行方向对雾滴在棉花冠层的沉积分布规律。从雾滴密度沉积结果来看，植保无人机作业高度为1 m时，雾滴沉积效果较好，随着作业高度的增加，采样点的雾滴沉积密度降低，作业有效喷幅减小。作业高度过高，雾滴更容易受到环境风向和风速的影响而飘失严重，难以在作物冠层有效沉积。不同架次喷施作业在各采样点上的雾滴覆盖率结果与沉积密度结果一致，作业高度为1 m的正向和逆向飞行试验的雾滴覆盖率较好，雾滴覆盖率随作业高度的增加而减小。

雾滴粒径是评价喷雾效果的重要指标之一，在农药喷施过程中，雾滴粒径不宜过大，过大则容易造成药液的流失，而粒径较小的雾滴具有较好的穿透能力，在风场的作用下容易发生漂移，更容易在昆虫体表附着[14]。本试验结果表明，在作业速度为5 m·s－1的情况下，作业高度为1 m时，无人机喷施作业效果较好，雾滴粒径小，且具有较高的雾滴沉积密度和覆盖率。

综上所述，无人机作业高度和飞行方向对雾滴沉积分布有较大影响，同时环境风场也是影响雾滴沉积结果的重要因素。因此，在棉田进行无人机喷施作业时，应选择在无风或微风的天气作业，在保持相对作业速度为5 m·s－1的情况下，选择1 m作为参考飞行高度有利于提高雾滴在棉花上的沉积，正向飞行作业雾滴沉积效果优于逆向飞行作业。本研究结果可为植保无人机在棉花上的应用与推广提供参考。

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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*

为了探究植保无人机喷施作业飞行高度和方向对雾滴沉积分布的影响，通过设置3WQF120-12型智能悬浮植保机的飞行高度和方向研究了不同喷雾作业参数对棉田雾滴沉积的影响。用10 g·L－1诱惑红溶液代替农药在棉田进行喷洒，保持5 m·s－1的飞行速度不变，改变无人机作业高度和飞行方向进行喷雾；通过雾滴测试卡进行采样，对雾滴采集卡进行图片扫描，并采用图像处理软件DepositScan分析各处理的雾滴密度、覆盖率及雾滴粒径大小等参数。结果表明，在植保无人机作业速度保持为5 m·s－1的条件下，飞行作业高度为1 m时，雾滴在棉株上的沉积效果较好，且正向飞行试验的雾滴沉积效果优于逆向飞行。在棉田雾滴的沉积效果受到高度和方向共同作用的影响，同时环境风向和风速也是影响雾滴沉积的重要因素。

棉花；植保无人机；作业高度；雾滴沉积；飞行方向；雾滴密度；覆盖率；体积中值直径

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”国家重点研发计划“地面与航空高工效施药技术及智能化装备”（2016YFD0200700）；国家现代农业产业技术体系——棉花产业技术体系（CARS-18-13）