我國的農藥利用率僅有20%，大部分都流失在環(huán)境中，造成環(huán)境的污染、資源的浪費，因此急需先進的施藥技術和施藥器械。從國外的農業(yè)發(fā)展來看，使用飛機進行航空施藥是目前較為高效的施藥手段。航空施藥可以及時有效地控制大面積病蟲害的發(fā)生，與地面噴霧相比，具有工作效率高、不受地形因素的限制、施藥均勻且穿透性好等優(yōu)點。同時，施藥時人機分離，能夠降低藥劑對人的影響，飛機產生的下旋氣流可有效減少藥劑的漂移，減少對環(huán)境的危害。

基于上述航空施藥器械的優(yōu)點以及我國國土面積廣闊、地形復雜和種植模式多樣化等因素，航空施藥的使用更符合我國當下的國情，因而具有推廣使用的潛在價值。

國外航空施藥技術的發(fā)展

最初，由德國提出利用飛機噴灑農藥對森林病蟲害進行防治。1918年美國首先用飛機噴灑砷制劑用于牧草害蟲的防治。此后，其他發(fā)達國家也開始用飛機防治病蟲害。二戰(zhàn)以后，隨著新型化學農藥的大量開發(fā)，新型農藥對藥械發(fā)展需求加強，同時戰(zhàn)后大量飛機被轉移運用到農業(yè)上，促進了航空施藥技術的發(fā)展。20世紀 50年代以后，施藥專用的農業(yè)航空機被相繼開發(fā)出來， 直升機也被開發(fā)用于航空植保。

美國是世界上農業(yè)航空技術最發(fā)達的國家，具有先進的航空植保機械以及完善的農業(yè)航空組織體系。美國在航空施藥領域也使用了國際上最為先進的施藥技術。美國擁有農用飛機約9000架(13%為農用直升機)，實際在用的飛機大約4000架，在冊的農用飛機駕駛員2000多名， 美國65%的化學農藥采用飛機完成噴施，年處理耕地面 積超過120萬hm2，占總耕地面積的50%以上，平均2萬hm2 耕地擁有一架農用飛機。美國的農場規(guī)?；a模式， 逐步建立了以航空植保機械與大型植保機械為主的病蟲草害防治體系。1966年，美國成立了國家農業(yè)航空協會，據該協會統(tǒng)計，農業(yè)航空現承擔美國近20%的農場植保與100%的森林植保工作，每年農業(yè)航空完成的農田作業(yè)面積達2800余萬hm2 。在防治對象方面，截至2012年，農業(yè)航空已幾乎應用于所有種類的作物，其中以玉米、小麥、大豆、牧草、苜蓿5類作物防治面積最廣。目前，美國航空農業(yè)飛機以固定翼飛機為主，約占87%，旋翼飛機 直升機則約為13%。

日本最先將無人直升機用于農業(yè)生產，經過多年的發(fā)展，日本成為該領域最發(fā)達的國家之一。日本國土面積比較小、而且多山地，耕地少、農業(yè)經營規(guī)模小，大型的植保器械很難適應，因而日本選擇發(fā)展外形尺寸小、 機動靈活、操控簡便、單位面積施藥液量小、作業(yè)效率高的無人機。1985年，日本Yamaha公司最先推出第一架農 用“R-50”型無人機，主要用于航空施藥。從1995年到 2005年10月底，日本具有登記的植保無人機從307架增加到2002架，平均年增長13.8%。用于林業(yè)建設的無人 機，僅Yamaha公司的Rmax系列就有1200多架，防治面積 從20萬hm2增加到60萬hm2，超過有人駕駛直升機的防治面積。截至2012年，日本農用無人機年工作面積達到 96.3萬hm2，占種植面積的50%~60%，擁有無人直升機 2346架，無人機操控手14 163人。自2015年起，一些公 司開始推廣多旋翼無人機。

國內航空施藥技術的發(fā)展

我國航空施藥起步相對較晚，其最早可追溯到20世紀50年代初，當時以載人固定翼飛機為主，例如“Y-5B (D)”、“Y-U”等，并在很長一段時間內占據飛防的主要地位。20世紀90年代，開發(fā)出了專門配置于輕型飛機如 “海燕”等的農藥噴灑設備，可廣泛用于大田作物如小麥、 棉花等的病蟲害防治，并可用于化學除草、森林病蟲害 防治、草原滅蝗、葉面施肥、噴施棉花落葉劑等。1995年， 北京科源輕型飛機實業(yè)有限公司開發(fā)的“藍鷹AD200N” 開始用于飛防實踐，主要用于農田、林區(qū)的病蟲害防治 以及衛(wèi)生防疫等，并且防效高，用藥液量少。1999年，中 國林業(yè)科學研究院在“海燕650B”型無人機上融合了超低容量噴灑裝置和GPS導航系統(tǒng)，并在廣西省武鳴林區(qū)進行病蟲害的防治試驗研究。目前，我國有農林使用的固定翼飛機1400架，直升機60余架，使用固定翼飛機和直升機防治農林業(yè)病蟲草害和施肥的面積達到200多萬hm2， 并且此數字有進一步上升的趨勢。但我國與美、日、德等航空植保發(fā)達的國家仍存在巨大的差距，在農用飛機擁 有量、年飛防面積和使用技術方面仍比較落后。

目前國內常用的農用植保無人機主要有“天鷹-3”、 “Z-3”、大疆“MG-1”、單旋翼“CAU-WZN10A”與多旋翼“3WSZ-15”等。近10年來低空低量作業(yè)植保無人機發(fā)展迅速。據農業(yè)部統(tǒng)計，截至2016年5月，全國在用的農用無人機共178種，可適用于不同的施藥條件，噴霧作業(yè)效率高達6 hm2/h，能及時有效防治作物病蟲草害。目前農林航空作業(yè)33 158 h，主要用于黑龍江、內蒙古、新疆與河 南等糧食作物主產區(qū)，但不足全部植保作業(yè)面積的3%。據農業(yè)部報道，2018年高效植保機械需求旺盛，植保無人機將持續(xù)升溫，預計需求量在8000架次左右，作業(yè)面積預計達到2億畝次。目前，全國農業(yè)航空技術95%以上用于航空植保作業(yè)，還有5%左右用于農情信息獲取、航空拍攝、農作物的輔助育種等。

國內使用的農用植保無人機按動力可分為電動和機動2種，按結構主要分為單旋翼和多旋翼2種，種類繁多，空機重量差異大，低空作業(yè)一般在5 m以下，飛行速度慢。電動無人機的動力核心是電機，電動無人機操作靈活，起降快，載藥液量小，單次飛行時間短，電池續(xù)航 是限制其使用的主要因素之一。機動無人機的動力核心是發(fā)動機，其靈活性差，需要一定的起降時間，但載藥液量大，單次飛行時間可達1 h，對操作人員要求高，飛機維護成為其使用的垢病。單旋翼無人機的載荷量大，可載 5-20 L，部分機型可更高;多旋翼無人機多為電動，載荷量小，但其結構簡單，飛行穩(wěn)定，比較受新飛手的歡迎。 截至2016年，我國已有200多家無人機生產銷售企業(yè)， 160多種農用無人機投入市場，在水稻、小麥、玉米、棉花和甘蔗等作物開展病蟲害防治工作。實際效果證明，無人機航空施藥符合實際應用的要求，處于快速發(fā)展階段。

人為的控制無人機飛行與施藥已不能滿足當前農業(yè)的發(fā)展，隨著精準施藥的推行，人為控制的大面積噴灑逐漸顯現出其弊端，開發(fā)先進的控制技術勢在必行。 近年來隨著信息技術的發(fā)展，越來越多的新技術與無人機聯系起來，如遙感技術、GPS導航技術、GIS系統(tǒng)、DSS系 統(tǒng)等新技術的加入，促進航空植保的進一步發(fā)展。

植保無人機在農業(yè)中的應用

無人機在農業(yè)中有多種用途，包括對病蟲害的勘測評定、對病蟲害進行航空施藥防治以及森林火情勘察等。無人機可以適應不同的工作環(huán)境，工作效率高，對于一些高危險或人類活動難以到達的地方無人機都可以解決。例如，在病蟲害勘察方面，結合先進的傳感器對病蟲害進行準確評價，利用計算機對數據進行處理，可以獲得最佳的防治策略;森林火情觀察方面，無人機具有較遠的視野和準確的探測能力;在航空施藥方面，無人機能夠適應不同的施藥環(huán)境，作業(yè)效率高，不受作物長勢限制，適應性廣，用藥液量少，有利于節(jié)省藥液，保護環(huán)境。

無人機在玉米中的應用

玉米作為食品原料、畜禽食料和工業(yè)原料，有較高的使用價值和經濟價值。我國玉米產區(qū)遍布全國，玉米種植的優(yōu)勢區(qū)域主要分布在東北以及經黃淮海向西南延伸的廣闊地區(qū)，據有關部門統(tǒng)計，玉米已成為我國 第一大糧食作物。由于氣候改變等原因，玉米病蟲害高發(fā)。此外玉米生長環(huán)境特殊，高大密植，空氣不流通，施藥條件差，加之近年來銷售價格不理想，農民對防治玉米病蟲害的積極性下降。使用無人機可以對玉米的病蟲害及自然災害進行有效的監(jiān)測，此外無人機施藥還解決了玉米田施藥難的問題，具有較廣闊的發(fā)展前景。

李紅軍等從2015年起，在應用數字圖像進行冬小麥、夏玉米氮素營養(yǎng)診斷研究的基礎上，運用機載數碼相機，研究不同航拍高度下冠層圖像相關色彩參數反演冬小麥和夏玉米氮素營養(yǎng)狀態(tài)的差異，建立利用無人機航拍數字圖像診斷冬小麥和夏玉米氮素營養(yǎng)狀態(tài)的模 型。結果表明，雖然此技術還有待進一步完善，但利用無人機搭載數碼相機對冬小麥、夏玉米進行氮素營養(yǎng)診斷是可行的。李宗南等優(yōu)化了利用無人機遙感技術獲得玉米倒伏面積的方法，其利用無人機遙感試驗獲取紅、 綠、藍彩色圖像，通過計算和統(tǒng)計正常、倒伏玉米的色彩、紋理特征，然后比較特征的變異系數和相對差異評選出適宜區(qū)分正常、倒伏玉米的特征，以此為基礎能夠準確的計算出玉米倒伏面積。此外，吳才聰等還建立了利用無人機預測玉米螟的空間分布半變異擬合函數和預測模型，為精準施藥提供了理論技術基礎，從而達到節(jié)約藥劑和保護環(huán)境的目的。

2012年，高圓圓等利用AF-811小型單旋翼無人直升機施藥防治玉米螟，測定不同飛行參數下霧滴的沉積分布規(guī)律以及對玉米螟的防效。研究結果發(fā)現，在飛行高度2.5 m，使用10%毒死蜱超低容量液劑的防治效果最好，其穗部霧滴數達到15.6個/cm2，防效高達80.7%;當使用42%毒死蜱乳油進行處理時僅有69.1%的防效，添加蒸發(fā)抑制劑后防效提高到75.8%;與自走式高桿噴霧機相比， 無人機具有省時、省工、省水的優(yōu)點，但從防效來看，各項參數還有待進一步優(yōu)化。楊帥等使用TXC-8-5-0-1 八旋翼無人機噴灑3%苯氧威乳油防治穗期玉米螟，對比 了不同的飛行高度、施藥液量以及加入蒸發(fā)抑制劑對霧滴沉積分布和玉米螟防效的影響。結果表明，飛行高度在2.0 m范圍內，局度對無人機噴巾幅無影響，最佳飛行局度為距玉米冠層1 m，最佳防治施藥液量為12 L/hm2，此條件下霧滴在穗部的沉積密度為20.4個/cm2，防效為79.6%。 此外，添加蒸騰抑制劑能夠有效提高霧滴沉積數和防效。航空植保施藥很好地解決了玉米田施藥問題，玉米受病蟲害影響顯著降低，成為保證玉米優(yōu)質、高產、穩(wěn)產 最直接有效的方法之一。

無人機在水稻中的應用

水稻是我國種植面積第二大糧食作物，種植面積達到306萬hm2，自給率達99%以上，但由于土地分散，戶均種植面積僅為1.15 hm2左右。水稻的播種、插秧及收獲都實現了機械化，提高了工作效率，但水稻化學防治設備落后，仍停留在人工防治階段，不僅造成人工上的浪 費，而且防治不及時極易錯過最佳防治時期。隨著水稻種植的產業(yè)化，藥械的開發(fā)成為制約水稻病蟲害防治的新問題。由于水稻生長過程中陸地機械難以下田作業(yè)，常規(guī)噴霧勞動強度大，且難以到達水稻中下部，作業(yè)效率低，對施藥人員和環(huán)境也易造成傷害。鑒于此，植保無人機憑借用藥量少、精準作業(yè)、勞動強度低等優(yōu)點受到 歡迎，可達到對水稻病蟲害機械化、專業(yè)化、一體化防治。

為了探究無人機施藥霧滴在水稻冠層沉積分布規(guī)律，陳盛德等使用HY-B-10L型單旋翼電動無人機進行了相關研究，試驗以麗春紅作為示蹤染料，利用Deposit Scan圖像處理軟件對霧滴的沉積分布結果進行處理。結果顯示，霧滴沉積量與飛行高度和飛行速度顯著相關，隨著飛行高度和飛行速度的增加，霧滴沉積量在逐漸下降，而且在施藥過程中，藥液的分布會受外界風場的影響。該結果全面地揭示了作業(yè)參數對航空噴施霧滴沉積分布結果的影響，對藥液的合理噴施、提高噴施效率具 有十分重要的指導意義。航空噴霧可以適用于水稻生長期的各個階段，薛新宇等通過篩選N-3型無人機施藥參數，研究了其對稻飛虱和稻縱卷葉螟的防效和應用前景。結果發(fā)現飛機在3 m高度下施藥的效果最好，防效最高，此外與傳統(tǒng)的擔架式噴霧機相比，其效果更優(yōu)。而且小型無人機體積小，靈活性高，地形適應性好，即使在丘陵地帶也能發(fā)揮其作用。

在水稻生長生理及病蟲害狀態(tài)監(jiān)測方面，無人機也發(fā)揮了重要作用。秦占飛等使用無人機以及機載遙感技術測定了寧夏引黃灌區(qū)水稻葉片全氮含量，試驗建立了水稻葉片全氮含量的最優(yōu)估測模型，可準確測定水稻葉片全氮含量，為區(qū)域尺度水稻氮素含量的空間反演及 精準農業(yè)的高效實施提供科學依據和技術支持。此外，近年來利用無人機對水稻進行授粉研究比較活躍。為提高雜交水稻機械化種植效率，李繼宇等研究了利用無人機授粉時水稻冠層旋翼風場的分布規(guī)律。試驗采用 18旋翼無人機對水稻授粉，建立水稻冠層處無人機旋翼 X向二維風場理想模型，為無人機輔助授粉通過改變風場實現新的作業(yè)方法提供參考。風場的覆蓋寬度、風場內各方向風速的大小以及風場的分布規(guī)律將會直接影響到農用無人機田間作業(yè)的效果。此外，李繼宇等還對不同飛行參數進行了篩選，試驗選用SCAU-2型飛機，在飛行速度1.56 m/s、負載質量14.05 kg和飛行高度1.93 m時 具有較好的授粉效果。然而不同類型的農用無人直升機的結構不同，旋翼所產生氣流到達作物冠層后形成的風場也有較大差異，對應的風速、風向和風場寬度等參數對花粉的運送效果直接影響到授粉的效果、作業(yè)效率及 經濟效益。劉愛民等對無人機水稻授粉實驗發(fā)現，相對人工授粉，無人機授粉的工作效率高、對植物的損害小，在水稻育種方面具有不錯的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

無人機在小麥上的應用

我國小麥產量和消費量約占全國糧食總量的25%， 隨著人口的增加和消費水平的提高，預計小麥消費量將會繼續(xù)增加。據估計，我國要保障2020年14.5億人口的糧 食安全，小麥產量需在現有基礎上增加28%。近半個世紀以來，小麥在育種、繁種、推廣、生產等方面發(fā)展較快， 但面對集約化種植，勞動力資源匱乏的變化趨勢下，病蟲害防治方面就顯得不盡人意，嚴重影響小麥的產量和品質。

在小麥生長和病蟲害監(jiān)測上，無人機起了關鍵作用。和玉米、水稻相似，無人機能夠根據小麥生長狀況判斷小麥氮素的供求狀況，對氮素缺乏的區(qū)域可進行精準施肥，以降低資源的浪費和對環(huán)境的污染。無人機遙感技術還可以用于獲取小麥的育種信息，楊貴軍等開發(fā)了一套以多載荷無人機遙感為平臺的小麥育種信息獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成多光譜儀、高清數碼相機、熱像儀等多種傳感器，建立無地面控制點條件下的無人機遙感數據幾何校正模型，實現多載荷遙感數據的幾何校正。該系統(tǒng)能夠準確獲取葉面積指數、作物倒伏面積、產量及冠層溫度等育種關鍵表型參量，為研究小麥育種表型與 基因型關聯規(guī)律提供輔助支持。此外，在小麥病害的調查中也有無人機的應用，喬紅波等使用無人機數字圖 像與高光譜數據融合技術調查了小麥全蝕病的發(fā)病情況，并對其進行分級;冷偉鋒等使用無人機遙感技術對小麥條銹病進行監(jiān)測，發(fā)現利用無人機遙感對小麥條銹病監(jiān)測是可行的，并具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，在小麥幼苗期，雜草成為影響小麥生長的最主要因素，尤其是安徽省和河南省。宮曉玲等選用4種藥械進行施藥處理，并對防效進行比較，發(fā)現旋翼無人機施藥相對于常規(guī)地面施藥具有較好的田間防治效果， 具有推廣價值。朱德慧等在冬小麥田應用植保無人機開展化學除草，試驗結果表明無人機施藥具有較好的除草效果，有效控制了麥田雜草為害且對小麥生長安全。 赤霉病、白粉病和紋枯病合稱為長江中下游地區(qū)小麥上 的“三大病害”近年來有逐漸加重的趨勢。陳銀鳳等利用多旋翼無人機探究對紋枯病、白粉病和赤霉病的防治效果，發(fā)現無人機能夠顯著提高噴霧效率，并且防效要優(yōu)于傳統(tǒng)施藥設備。但對穗部的小麥赤霉病防效，無人機與傳統(tǒng)藥械無差異，甚至低于傳統(tǒng)藥械。小麥銹病和蚜蟲也嚴重為害小麥，影響小麥產量的病蟲害。楊福生采用2種藥械防治小麥病蟲害，發(fā)現人工背負式機動噴霧器的噴施防效略高于無人機。但無人機在病蟲害防治效率上更有優(yōu)勢，具有施藥快、便于操作、節(jié)約防治成本等優(yōu)點。目前，無人機在小麥防治中展現了獨特的優(yōu)勢，在小麥施藥過程中也越來越普遍，尤其是在“一噴三防”技術指導下，利用無人機對小麥進行大規(guī)模噴藥作業(yè)，每畝麥田完成作業(yè)只需2 mm，極大地提高了作業(yè)效率，保障夏糧豐收。

無人機在棉花中的應用

棉花是關系到我國國計民生的重要戰(zhàn)略物資，也是棉紡織工業(yè)的重要工業(yè)原料，在國民經濟中占有重要地位。我國是全球棉花生產和消費大國，但近年來棉花生產面臨著諸多的問題，棉花生產依賴人工，機械化水平低，大型植保器械傷害棉株和果實，病蟲害防治效果差，植保技術落后。而無人機施藥效率高，低空靈活作業(yè)，精準噴 防，大大減少勞動強度，為棉花生產機械化開辟了新的道路。

在棉花生產中也少不了對生長狀況和病蟲害的監(jiān)測以及對病蟲害的防治。利用無人機影像光譜分辨率高的特點，田明璐等提取27個光譜參數，構建棉花葉片葉綠素相對含量的反演模型，并制作棉花葉片葉綠素相對含量分布圖。結果表明，使用模型可得到理想預測效果， 可以作為棉花葉片葉綠素相對含量遙感監(jiān)測的技術手 段。田明璐等還通過無人機成像光譜儀影像技術測定 棉花的葉面積指數，通過低空無人機遙感平臺，使用新 型成像光譜儀獲取的農田高光譜影像數據對棉花葉面 積指數進行反演，建立葉面積指數遙感估算模型，為農 作物葉面積指數遙感監(jiān)測提供了新的技術手段。

棉花上使用無人機施藥主要集中在蚜蟲防治和噴灑生長調節(jié)劑。趙冰梅等使用KT-10-II型四旋翼植保無人機低空噴灑50%氟啶蟲胺腈水分散粒劑防治棉蚜，實驗結果表明，無人機飛防對棉蚜有較好的防治效果，繼續(xù)添加噴霧助劑可以進一步降低用藥量。王元桃等于2017年使用大疆MG-1型植保無人機低空低容量噴霧與常規(guī)噴霧進行對比，結果表明，相對常規(guī)噴霧，植保無人機的工作效率高，防治費用成本低，防治效果好、省 工、省力、節(jié)約用水量。杲先民等用大疆植保無人機噴 施棉花脫葉劑，試驗表明植保無人機一次施藥達到了與 機車二次施藥相同的脫葉效果?？偟膩碚f，植保無人機對棉花施藥具有良好的應用前景。

無人機在林木中的應用

森林具有經濟、生態(tài)和社會三大效益，為了實現林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，滿足當今森林資源的精準化監(jiān)測和信 息化管理，無人機及相關技術起到了舉足輕重的作用。 無人機在林業(yè)建設中，主要應用于森林普查、林業(yè)資源調查、森林火災監(jiān)測和防火以及森林病蟲害防治方面。

我國森林面積廣闊，對林業(yè)資源的調查和森林防火的難度特別大。史潔清等研究利用高精度的無人機遙感影像來對林業(yè)資源調查，試驗結合攝影測量技術、無人機影像的后處理技術、地理信息系統(tǒng)技術和林業(yè)資源調查管理技術，開發(fā)了適用于林業(yè)資源調查和管理的專業(yè)林業(yè)資源調查系統(tǒng)，利用無人機影像數據實現林地空間區(qū)劃和高精度森林調查、信息提取等功能，通過此系統(tǒng)可實現資源數據庫的及時更新，極大地縮短了傳統(tǒng)調查模式的調查周期，實現了森林資源的科學化管理。許子干等基于高分辨率無人機影像和激光雷達點云數據 估算亞熱帶天然次生林林分基本特征變量，構建林下高精度數字高程模型，可快速的反映出森林的林分特征。 無人機平臺森林防火監(jiān)測與報警具有運行費用少、操作簡便、機動靈活等特點，在巡護監(jiān)測林火中前景廣闊。樊浩然等開發(fā)種基于紅外探測器對森林起火點進行探測和報警，采用低成本4旋翼無人機為巡檢平臺，結果表明該系統(tǒng)能夠快速、準確地對起火點進行定位，無需人員實時監(jiān)視，為森林火災預防及火災的快速撲救指揮提供了一種解決方案。

對森林病蟲害發(fā)生狀況進行實時監(jiān)測并準確評價，是提出防治策略、開展防治工作和提高防治效率的前提。借助于無人機，結合遙感、紅外探測等技術對林區(qū)病蟲害進行觀察，可以了解病蟲害發(fā)生的動態(tài)變化、找到病蟲害發(fā)生的規(guī)律、整合分析并預測病蟲害流行蔓延的趨 勢，建立病蟲害發(fā)生的模型，得出更長期且更有科學性的森林病蟲害預測結果。在病蟲害發(fā)生的初期做好預防工作，避免病蟲害的進一步擴散、蔓延。