植保无人机作物生产应用研究进展

张延发 周婧 袁敏敏 高辉 吴成伟 郑介松

摘 要：该文阐述了国内外植保无人机在农作物生产上应用现状，归纳了农用植保无人机作业相较于其他植保作业方式的优势与特点，分析了植保无人机发展和推广中存在的问题，并展望了植保无人机应用的发展趋势。

关键词：无人机；植保；作物生产

中图分类号 S252.3 文献标识码 A 文章编号 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

农药是重要的农业生产资料，农药的施用对于保障我国粮食安全具有重要意义。然而，过频过量施用农药，不仅威胁到农产品的质量安全，而且导致农业面源污染加重、农业投入品资源浪费、农业生产成本增加等问题，不符合农业绿色化、高质化的发展方向。如何高效精准施药已成为作物生产领域的重要课题，其中新一代植保无人机的示范推广应用是其关键突破口[1]。

目前，农作物生产中的施药方式以人工背负式、高地隙自走式喷杆喷雾为主，而植保无人机施药仅占1%。人工背负式施药虽具有随时随地作业、简便易用的优点，但存在药液用量大、作业效率低、农药残留多等问题。高地隙自走式喷杆喷雾机适用于水田、旱田作物和菜地的除草、杀虫、灭菌等的喷洒作业，具有机械化自动化程度高、通过性好、施药精准高效等优点，但也存在一次性投入成本高、坡地易倾覆、作物碾压损伤相对大等问题。而植保无人机具有施药效率和自动化程度高、能耗低、对作物无植伤、不受地形限制等优点，具有很高的推广应用价值。

1 国内外植保无人机应用现状

1.1 国外 1985年，世界第1台喷药无人机R-50肇始于日本Yamaha公司，成为航空植保的重要里程碑与植保无人机的发端[2]。日本山地多、田块小而散，加之农业劳力短缺、人口老龄化等，促使植保无人机产业得以快速发展，是无人机飞防最为成熟的国家。日本现拥有登记在册的植保无人机3000多架，作业面积超过100万hm2。日本拥有大量的无人机培训与保险服务公司，为无人机飞防全产业体系的服务精细化和完备化提供了可靠的保障。美国的农作物生产以大农场为主，经营规模大，往往使用载重量更大、续航时更长、工效比更高的有人机进行植保作业。其商业化无人机主要用于精准遥感监测与图像识别，在农药喷洒领域发展不快。韩国90%以上的植保无人机从中国进口，各地农业协会拥有的植保无人机数量占总数的80%[3-4]。此外，欧盟国家、巴西、阿根廷、澳大利亚等都已将无人机应用于植保作业。

1.2 国内 2004年，农业部南京农业机械化研究所等机构开展了农用植保无人机的研究与推广工作。2010年，我国第1架商业农用植保无人机问世。在科技创新的驱动下，大疆、极飞、汉和、高科新农等一批无人机的品牌纷纷涉足作物生产领域。新思界产业研究中心发布的《2017—2021年植保无人机行业市场现状及投资前景预测报告》显示，截至2016年6月，我国农用植保无人机的保有量已达到4890架，成为全球农用植保无人机保有量第一的国家。有研究认为，预计到2020年，我国植保无人机需求量将达10万架，从事飞防员培训派遣服务、无人机维修保养物流服务、喷洒植保服务、无人机租赁销售、专用农药研发销售等的从业人员需求量将超过40万人。为了大力推进农药减量控害，积极探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路，2015年2月农业部印发了《到2020年农药使用量零增长行动方案》，要求提升装备水平，加快转变病虫害防控方式，大规模开展专业化统防统治，推行植保机械与农艺配套，提高防治效率、效果和效益，解决1家1户“打药难”“乱打药”等问题。目前，河南、福建、山东、江苏、浙江、安徽等省份纷纷推行农用植保无人机省内补贴政策，惠及一批病虫防治专业化服务组织、新型农业经营主体[5-7]。可见，植保无人机作业已成为我国农业规模化、标准化、绿色化、高质量发展的重大需求和必然选择。

2 植保无人机的类型与作业优势

2.1 类型 （1）按能源动力划分，可分为油动和电动2类。油动植保无人机具有载荷大、续航长等优点，但存在燃料使用污染大、结构复杂而维护难、造价高等缺点。电动植保无人机的优势则在于绿色环保、易于操作、易于维护、造价低等，缺点是载荷少、续航短。在作物生产高质量、绿色化发展的新时代，电动植保无人机更具有生命力和发展的活力。（2）按机型结构分类，可分为固定翼和多旋翼2类。固定翼植保无人机具有稳定向下的大风场，雾化效果好，药物穿透力强，抗风性较强。多旋翼植保无人机造价相对低、易于操作，但风场小、抗风性较弱、药物穿透力有限[8]。可见，固定翼电动植保无人机更具推广应用价值。

2.2 作业优势 一是广适性强。可不受地形地貌限制，在狭小不规整田块、水田、沼泽地、丘陵地区等实现作业。二是绿色环保。与传统方式相比，采用无人机喷药，农药利用率高、残留少，减少了对水土气等的污染[9]，农产品质量安全水平得到提升。三是精准可靠。一般为近地作业，导航系统精准，可远距离操控，风场稳定向下，利用雾化器将含有飞防助剂的药液进行雾化沉降，自动工作，操作简便。四是工效比高。以極飞植保无人机为例，其喷洒工效约是传统人工的60倍，每天可作业20hm2以上。

3 植保无人机的性能比较

农用无人机用途很多，可用于施药、施肥、播种、授粉、测量、航拍、图像识别等方面[10]，其中植保无人机在作物生产上应用最为广泛。本文以中农网购（江苏）电子商务有限公司为例，对其购置并已开展作物生产应用的3款植保无人机进行了性能参数比较（表1）。

单旋翼电动植保无人机体积大、飞机质量重、续航时间长，且载荷重、喷头数量多、有效喷幅广；而多旋翼电动植保无人机可折叠，方便携带，便于实现转场规模化作业，且其是对称的多旋翼，结构更加稳定牢固平衡。3款植保无人机中，极飞植保无人机可搭载多个不同的定位模块，其中包括国产的北斗导航系统，可实现全自主飞行，精度可达1～2m，作业更加精准[11-12]，性能更加高端，更符合植保无人机发展方向。

4 制约因素

根据《江苏统计年鉴》（2017），2016年全省水稻种植面积为229.5万hm2，小麦为219.0万hm2，稻麦占全省总播种面积的58.4%。水稻施药至少“3防2控”，小麦施药至少“1喷3防”，稻麦作物全生育期施药次数多，且面积广大，因而对于植保无人机产业的发展蕴涵着巨大的机遇。然而，植保无人机在作物生产应用上，尚面临着一系列问题有待解决。

4.1 购机成本高昂 以极飞植保无人机为例，P30植保无人机（载重15kg）单机价格6万元，P20植保无人机（载重10kg）单机价格5万元，且一般要增配电池，加之需不定期维护检修，存在其他可能的支出。高标配、重载荷、长航时的植保无人机单机购机成本则在10万元以上。虽然植保无人机逐步加入试点补贴，但用户仍需支付不少费用。这导致一般的农业经营主体购机意愿不强，经营面积大的购机少了难以实现全面飞防，经营面积小的一般采用人工背负式施药降本。植保专业合作社等也因自身财力和服务范围有限，购机积极性也不高，跨地区服务则面临交通运输费用大的制约。

4.2 配套服务不足 植保无人机操作人员需通过中国航空器拥有者及驾驶员协会（AOPA）组织的中国民航无人机驾驶员合格证考试，一般农业从业人员参训参考者甚少，造成了职业飞手短缺，制约了植保无人机的更大面积示范推广应用。同时，缺少植保无人机方面的保险机制，不能有效规避植保无人机作业失误、自然灾害影响等潜在风险。

4.3 作业规则缺失 国内植保无人机生产企业已超过100家。不同品牌的植保无人机在最大起飞重量、农药容器容量、续航时间、有效喷幅等参数方面差异较大，缺少简化统一协调选优的标准规范。植保无人机生产作业服务商单位面积作业收费高，且标准不一。如水稻单次作业收费达120～150元/hm2不等，使得农业经营主体想用用不起、一次性付款有压力。同时，植保无人机厂家、服务商、农民专业合作社、家庭农场、保险商等之间缺少利益联接、组合共赢机制，往往各自为政、单打独斗，一二三产业融合发展不足。

5 发展趋势

植保无人机集省力化、绿色化、自动化、智能化特征于一体，契合我国推进工业化、信息化、农业现代化发展与实施创新驱动发展、乡村振兴战略等的重大需求，是实现新时代作物生产全程机械化的关键装备，有着巨大的市场空间与广阔的发展前景。

为了更好地服务现代农业建设，应加快研发自主航线规划、自主导航、自主作业、自主悬停、重载荷、长航时[13-14]、轻机重、高质量、低成本、易维护的新一代植保无人机及其移动端操作平台[15-16]，优化设计强度高、耐腐蚀、质量轻的喷杆[17]，改良喷嘴[18-19]，创新作物全生产季绿色农药套餐及精准植保技术，提供全程服务，规范作业规则，显著提升植保无人机科技含量与作业质效，实现增产提质减药保效目标，助力产业兴旺与乡村振兴。

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（责编：张宏民）