植保无人机在重庆园林植物养护中的应用前景探讨

王 龙 ，周涵宇，田立超

(1. 重庆市璧山区园林绿化管理所，重庆 402700；2. 重庆市风景园林科学研究院，重庆 401329；3. 重庆市城市园林绿化工程技术研究中心，重庆 401329)

1 引言

植保无人机为用于农业、林业、园林等场景植保作业的无人驾驶飞行器，由飞行平台、导航飞控、喷洒等部分组成，通过地面遥控或导航飞控，用于实现农药、肥料的喷洒作业，具有快速高效等特点，适合大面积种植作物及特殊环境作业。为促进植保无人机发展，多地多部门出台了政策支持，2017年9月，我国工信部印发了《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》；次年3月，农业部和财政部联合发文《关于做好2018-2020年农机新产品购置补贴试点工作的通知》等，明确提出鼓励植保无人机的行业研究及应用发展创新，加速无人机在植保领域的发展。

近年来，全国部分省市园林绿化养护部门也引入了植保无人机技术，有报道的如南京、厦门、黑龙江、湖北、山东、河南等地，开展了植保无人机在园林病虫防控工作中的应用示范，为植保无人机在园林管护中应用提供了借鉴经验。本文对国内外植保无人机发展进行简述，总结该技术的优点及今后的发展趋势，并结合重庆山城园林特色，探讨了植保无人机技术在重庆园林管养中的应用可行性。

2 植保无人机发展历史

20世纪70年代，日本首次将小型无人机用于农业生产，当时日本经济开始快速发展，青壮年农工大批涌入城市寻求工作，农村仅有少量老弱妇孺，适龄劳动力大量缺乏，于是在借鉴美国军用无人靶机技术的基础上，日本YAMAHA公司在1990年推出“R-50”植保无人机，是第一款投入农业喷洒实践的无人直升机[1]。经过20年的发展，日本市场的植保无人机装机总容量(获得国家颁发的农业应用证书)达到近2800架，且获得国家植保无人机操作证书的人数约为1万人，成为世界上植保无人机喷药第一大国[2]。与日本相比，美国植保无人机的应用也非常广泛，截至2017年，美国已拥有近30个品种9000多架植保无人机，全世界占比28%，另外，美国65%的农业化学作业均使用飞机完成，60%的农药作业也由专业的植保团队操作无人机及其他智能机械完成[3]。

综观以上农用无人机在日本、美国的发展，对于我国农用无人机行业有诸多可学习和借鉴之处。世界各国对植保无人机应用程度有所不同，但总的来说，农业航空技术是国家农业生产的重要组成部分，在现代农业高速发展形势下，无人机在农业生产中的应用比重将逐渐加大。

我国关于植保无人机的研发历程开始于“十一五”期间国家项目“新型施药技术与农用药械(‘863计划’)”的成功立项。在2005～2006年期间，中国农业机械化研究院、中国农业大学、南京农业机械化研究所等大学及科研机构向科技部、农业部、教育部等相关部门进行提议，建议推动植保无人机的研制工作[4]。

2008年，国家正式批复“水田超低空低量施药技术研究与装备创制(‘863’计划项目)”立项，标志着植保无人机航空施药技术在我国正式开始研究。“十三五”规划实施以来，我国政府部门对植保无人机的研发投入可谓巨大，在科技部会同农业部实施的“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”国家重点研发计划、国家重点研发计划“智能农机装备”重点专项、国家自然科学基金委员会与德国科学基金会中德合作研究项目“植保无人机的农药雾化沉积高效利用”中都对植保无人机的性能研究和施药技术方面给予了重点支持。

根据农业部及有关部门统计，2017年底共253种植保无人机在用，有近300余家工厂生产植保无人机，我国植保无人机装机量也逼近14000余架，在多种农作物、经济作物上均实现了病虫害防治作业，统计结果显示，使用植保无人机进行作业的实际效果已经能够达到实用水平，并且正处于高速发展阶段[5]。

3 植保无人机在农业、林业和园林上的应用现状

3.1 植保无人机在农业应用现状

植保无人机在农业中有多种应用场景，可实现对农作物病虫害的实时监测、危害程度分级和航空施药防治病虫害等[6]。本文选取了我国大面积种植的几种主要农作物——玉米、水稻、小麦、棉花探讨其作应用现状。

玉米是畜牧业、养殖业、水产养殖业等的重要饲料来源，也是食品、医疗卫生、轻工业、化工业等的不可或缺的原料之一。李宗南等[7]通过优化无人机遥感技术，达到在田间利用无人机监测准确计算玉米倒伏面积。此外，吴才聪等[8]利用无人机的航空拍摄技术，预测玉米螟的空间分布半变异拟合函数和预测模型，为田间精准施药技术提供理论技术支撑。2012年，高圆圆等[9]利用“AF-811”植保无人机测定了不同飞行参数对雾滴的沉积分布规律影响以及对玉米螟的防效。结果显示，与传统的自走式高杆喷雾机相较，飞防作业具有节省时间、减少传统人力消耗、节省水资源的优点，但防治效果有待进一步优化。

水稻作为中国耕地种植面积有306万hm2的重要农作物，基于水稻特殊的水田生长环境，传统地面施药机器很难下田操作，且水稻田面积大、范围广，导致田间施药作业效率低，对打药农民和水系生态环境也易造成侵害。陈盛德等[10]使用“HY-B-10L”型植保无人机探究了无人机施药雾滴对水稻冠层沉积分布规律的影响，结果证明作业参数对航空喷施雾滴沉积分布结果有重要影响，对药液的合理喷施及提升施药效率具有积极影响。薛新宇等[11]通过调整“N-3”型无人机施药参数进行对比试验，探寻其对水稻飞虱和稻纵卷叶螟这两种重大水稻害虫的防治效果和应用前景，实验结果显示与传统的担架式喷雾机相比，在3 m高度下进行无人机飞防作业防治效果更优。且植保无人机体积小，更加灵活，对丘陵地带的地形更为适应，不受地形影响也能发挥最高效力。

另外，在小麦和棉花上利用无人机进行病虫害的监测与防治也有很多实例。如利用无人机航拍监测小麦的生长状况借此判断小麦氮素的供求状况，并可根据航拍监测的结果对氮素缺乏的部分进行精准施肥，起到精准施药的作用[12]；此外，乔红波等[13]使用无人机数字图像与高光谱数据融合技术监测小麦全蚀病的发病率，并对小麦全蚀病进行病害等级划分；冷伟锋等[14]也利用植保无人机的遥感技术监测小麦条锈病；田明璐等[15]利用无人机调节其影像光谱分辨率，通过分析棉花叶片色差分布，绘制叶绿素相对含量分布图，利用遥感监测进行棉花叶片叶绿素相对含量的分析测定；赵冰梅等[16]使用植保无人机低空喷洒药剂防治棉蚜，结果显示无人机施药技术对棉蚜有较好的防治效果，并验证了添加喷雾助剂能够有效降低用药量的实验结果。

3.2 植保无人机在林业应用现状

我国森林资源丰富，且森林具有经济、生态和社会三大效益，在当今生态文明建设的巨大命题下，更好保障林业发展的可持续性，充分满足森林资源的精细化监测和信息化管理，利用无人机及相关技术乃是重中之重。在林业应用场景中，无人机主要是在森林病虫害防治、森林资源普查、林业资源调查、森林火灾监测和防火以及方面起到重要作用。

在森林环境中，对植物病虫害发生情况进行实时监测并建立评价体系，是进行森林病虫害统防统治和提高防效的基础[17]。借助于无人机与遥感、红外探测等技术相结合，对森林病虫害进行实时监测，可以掌握病虫害发育历期、整合病虫害发生规律并对病虫害进行预测预报，设立病虫害发生模型，为森林病虫害预测预报工作提供技术支撑。赵鹏[18]利用植保无人机对森林进行监测，不仅能节省大量人力、物力和时间，也能减少调查中劳动力不足及人为因素造成的监测误差。由于森林环境中树木高大，植物郁闭度高，空气流动性差，传统施药机械难以将药剂均匀地喷施到植物的冠层。使用无人机进行超低容量喷洒，旋翼产生的下旋气流使得药剂雾滴能够较好地到达施药部位，提高了施药作业的效率，在节省用药量的同时也减少了药剂漂移。

3.3 在园林行业应用现状

由于园林树木高大、内侧难以给药，部分养护区域如山地公园地形复杂，传统方式难以作业。近年来，南京、厦门、黑龙江、湖北、山东、河南等省市园林绿化养护管理部门引进植保无人机，探寻其在大规模绿地下病虫害防治，高大乔木施药技术等园林绿化方面的研究及推广应用，旨在利用无人机特点，达到园林植保高效作业、精准防治的目的。

如厦门、湖北等地利用植保无人机进行榕树、雪松等高大乔木的虫害防治，若采用现有的喷药车在地面作业，难以达到所需的防治作业高度，用药量也消耗较大，选择无人机进行施药，一棵冠幅达10～12 m榕树，约花费2 min即可完成喷药，一天可喷200～300株，作业效率远远高于人工喷雾和常规大型施药器械。且飞防助剂可以缓解药液漂移和蒸腾的问题，下压风场确保药液均匀散布。用药成本也大幅度减少，最佳效果能减少30%以上的用药，降低了环境污染。

4 植保无人机在重庆园林中的应用探讨

结合当前我国园林行业植保无人机应用情况，我国植保机械还处于较低推广利用水平，较多城市园林绿化养护一线作业时仍然依靠传统地面施药方式如背负式打药车、手推式打药车进行喷洒农药，在监测园林植物病虫害发生情况时仍然以技术人员实地踏查为主，存在着监测不及时、覆盖范围有限等问题。而植保无人机在施药效率、监测范围及监测时效性上有着得天独厚的优势，能够为园林植保行业转型升级提供强有力的技术支撑。

4.1 植保无人机应用的优势

4.1.1 喷洒效果好

植保无人机的作业形式为低空、超低空作业，通过专业技术人员控制导航系统，调节作业机械与目标点位的距离，预设航线路径，并通过雾化器改善药剂雾滴的雾化均匀性，使喷出的雾滴均匀地附着在植物叶片的表面，大幅度的提高了施药作业的效率[19]，能够从根本上解决园林高大乔木施药难、覆盖面局限的问题，能够自上而下的将药剂均匀喷施在受害植物上。

4.1.2 作业效率高

我国“天鹰-3”小型农用无人直升机作业效率是普通喷雾车的3～4倍，是传统背负式喷雾机的60倍以上，可有效解决园林养护人员老龄化、一线工人严重不足、劳动力成本高的问题。且使用植保无人机喷施农药能够及时有效地控制大规模突发病虫草害，最大程度降低病虫害造成的损失，保障城市园林生态系统的稳定。

4.1.3 适应面广

植保无人机以其能够垂直起降的特性，使得其作业环境不受地形及植物长势限制，可解决常规大型施药器械难以进入重庆特殊地形，如山地、湿地等地作业的难题，具有更好的环境适应力，达到特殊地形病虫害的有效防治[20]。

4.1.4 节能环保

植保无人机为低空雾化喷洒，保证均匀喷施整个植株。常规每hm2农药用量450～600 kg，而植保无人机每亩地药用量仅在15 L左右，节省水资源，减少农药使用量，大幅度减少农药对环境的影响[21]。

4.2 植保无人机在园林应用中存在的问题

植保无人机的应用也存在一些相应的制约条件，如对专业技术人员、地理环境、飞防药剂及无人机本身性能的特定要求，给无人机的大范围推广带来了一定阻力。

4.2.1 对专业技术人员要求高

无人机作业对技术人员的操作能力要求更为苛刻。无人机只有满足以下三个条件方可合法地无证飞行：一是重量低于7 kg，二是飞行距离小于500 m，三是飞行高度小于120 m。除此之外均需要持中国航空器拥有者及驾驶员协会颁发认证的专业无人机驾驶证方可进行作业[22]。

4.2.2 对作业环境要求高

植保无人机作业过程中需要考虑到以下地理环境要求：在飞行航线周边或飞行航线中间要有合适无人机的起落点，且在飞行航线间应有适合技术人员行走的道路；飞行航线10 m范围内无人员居住的房屋，且需要避开人群；飞行航线10 m范围内无电杆、无防护林、高压线塔等有碍飞行安全或影响飞行视线的建筑及市政设施[23]。这就使得使用植保无人机进行飞防作业时需要相对开阔的环境，如山地公园、湿地公园、坡坎崖绿地等大规模的绿地，在人流密集的市街道路则较难开展工作。

4.2.3 无人机功能需更优化

无人机作业效率还受载荷量、续航时间的影响，因此需要继续优化载荷量和续航时间，使得植保无人机的作业效率达到更高效、更具实用性。

4.2.4 飞防作业专用药剂及助剂缺失

植保无人机的防效很大程度上与专用的药剂相关，当前我国植保飞防作业大多倚靠操作人员的经验或以地面施药量与配置比例为参考，常因用量或药剂配比不实际或缺乏专用飞防助剂而影响作业质量，导致喷洒效果差、药剂利用率低，严重时甚至产生药害。因此，研发试验专用飞防药剂及助剂是植保无人机亟需开展的试验课题[24]。

4.3 植保无人机在重庆园林中的应用前景

4.3.1 山城园林特性为植保无人机提供了应用场景

“山城”重庆具有得天独厚的自然地理风貌，城市道路顺山势展开、蜿蜒曲折，城市依山而建，园林绿化顺势而成，造就了边坡多、立面多的园林特点，形成了大量的山地公园、坡坎崖绿地。且在打造国家园林城市的过程中，各种高大苗木相继在公园、路边、社区等区域“安家、落户”。这一系列重庆独有的园林绿化特点与其他省市较为扁平的绿化景观模式来说，对园林养护工作提出了更复杂、更精细的要求，这也为植保无人机在重庆园林管护中开展工作提供了更加广阔的应用场景。

4.3.2 为解决传统作业难点提供了解决方案

目前重庆城市园林病虫害防治一直采用传统的人工防治方式，工人年龄较大，工作效率较低，且人工费用较高；重庆属山地城市，高切坡、城市森林、高大乔木施药时容易出现喷洒不均匀、防治效果差；现有园林植保施药机械主要为背负式喷雾器、小动力喷粉喷雾机、车载喷雾设备等，这些设备普遍存在着作业效率低、喷洒精度低、雾化性能较差，容易造成浪费农药、污染环境等问题，严重影响市民和植保作业人员的人身安全。植保无人机因其节约人工成本、防治效率高、防治效果好等优势，在城市园林植保方面的应用越来越广泛，其可根据作业任务精确计算药量，实时校准喷洒量，高速离心喷头可将药液雾化到100 μm以下，智能作业、人药分离，不仅喷洒更均匀，而且穿透性好，可以节约30%的农药和50%的水，从而减少污染，杜绝因过量喷洒对城市生态环境的破坏。一方面节约了人工成本提高了防治效率，另一方面解决了高大苗木施药难、喷洒不均的问题。此外，在搭配红外成像摄像机之后，无人机还可以监测不健康的植物，从而进行病虫害预测和防治，也可以进行全天候的实时巡航等。

4.3.3 在传统城市园林市街道路上应用存在制约

植保无人机虽然适合山地公园、坡坎崖绿地或者较为空旷的绿地内高大乔木的施药，但其在市街道路上的应用还存在一定的问题，如面对人行道绿化带较窄的街道，树冠与建筑外立面距离短，或树干周围有市政设施，则不适合大面积的飞防作业。但可以根据单个树木受害情况开展针对具体树木树冠等高处的施药作业。另外，对于人流量大的公园道路，则需要选取清晨或午夜等人车流量小的时段开展飞防工作，并在作业前取得相关部门的飞行许可。

4 结语

随着植保无人机低空、超低空施药技术的不断发展，其已经成为防治农业、林业病虫草害不可或缺、与时俱进的新技术。为了保障城市园林植保能够实现更加高效、环保、快捷、安全的一线病虫害防治作业要求，无人机施药技术在未来将会得到广泛应用，不断提高城市管理精细化、智能化、人性化水平，将“绣花功夫”落实到城市管理的方方面面中。