陳 曦 高旭園 何 潔 陳 偉 趙希梅 鄒家龍 李燕麗盧碧林 李繼福

（1 長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025；2 荊州市荊州區(qū)農(nóng)業(yè)科技服務(wù)中心，湖北荊州 434020）

中小型無人直升機(jī)服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)興起于日本，在歐美國(guó)家大型農(nóng)牧場(chǎng)得到了快速發(fā)展， 主要用于農(nóng)藥噴灑等作業(yè)。因此，無人直升機(jī)也被稱為植保無人機(jī)[1-2]。 2016 年，消費(fèi)級(jí)電動(dòng)無人機(jī)的研制和出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)作物病蟲害防治機(jī)械化進(jìn)程。植保無人機(jī)作為新型農(nóng)業(yè)機(jī)具， 逐漸成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的基本配置。 近3 年來，人工智能、深度學(xué)習(xí)和信息技術(shù)[3]等與無人機(jī)技術(shù)充分結(jié)合，共同促進(jìn)了航空植保無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展[4-5]。目前，植保無人機(jī)在作物遙感監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)、作物病蟲害防治方面有著廣泛的應(yīng)用[6-8]，在畜禽監(jiān)管、播種授粉、農(nóng)業(yè)灌溉和養(yǎng)殖投料等方面也逐步得到推廣[9-11]。 植保無人機(jī)的應(yīng)用范圍已發(fā)生較大變化， 應(yīng)當(dāng)被重新定義為“農(nóng)用無人機(jī)”[11-14]。農(nóng)用無人機(jī)根據(jù)載重量和飛行原理分為大、中、小3 種型號(hào)，中小型農(nóng)用無人機(jī)適用于田塊相對(duì)較小的南方地區(qū)， 大型無人機(jī)適用于北方大塊平原和丘陵果園。通常，無人機(jī)在飛抵預(yù)定區(qū)域后的首要任務(wù)是采集目標(biāo)信息，即可完成測(cè)繪、估產(chǎn)和監(jiān)測(cè)等無特定作業(yè)的任務(wù)， 如攜帶相應(yīng)配套設(shè)備，可完成噴藥、施肥和播種等特定作業(yè)任務(wù)。 隨著農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移和土地流轉(zhuǎn)推進(jìn)， 新型農(nóng)用無人機(jī)載荷大、成本低和效率高的性能優(yōu)勢(shì)凸顯，受到種植大戶和合作社的歡迎，具有很好的發(fā)展?jié)摿15]。

江漢平原地處長(zhǎng)江中游， 面積約4.6 萬km2，主要包括荊州、仙桃、潛江、天門及周邊部分縣、市、區(qū)。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同期，地勢(shì)平坦，是湖北省主要的糧棉油和漁業(yè)生產(chǎn)基地。 農(nóng)用無人機(jī)在江漢平原地區(qū)水稻、小麥和油菜等大田作物上的噴藥作業(yè)已經(jīng)普及，在水稻、油菜生產(chǎn)上的飛播和施肥方面發(fā)展迅速， 逐漸替代作物移栽方式和人工撒施追肥[16-17]。 此外，隨著沿江地區(qū)稻蝦輪作面積的持續(xù)增加， 農(nóng)戶已經(jīng)開始使用無人機(jī)進(jìn)行稻田飼養(yǎng)小龍蝦的投料作業(yè)， 以降低人工成本和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度[18]。 本文通過實(shí)地調(diào)研、資料分析和野外試驗(yàn)等多種方式， 對(duì)江漢平原各地區(qū)的農(nóng)用無人機(jī)使用狀況進(jìn)行分析， 總結(jié)當(dāng)前江漢平原中小型農(nóng)用無人機(jī)在種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀和問題， 以期為農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)在種養(yǎng)殖業(yè)上的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

遙感技術(shù)的快速發(fā)展和遙感數(shù)據(jù)源的日益增多， 為快速獲取作物葉面積指數(shù)和地上部生物量提供了有效手段[4，19]。 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有較強(qiáng)的地域性和季節(jié)性特征，果園地點(diǎn)偏僻、地形復(fù)雜、樹木高大且互相遮蔽[20]；農(nóng)田交錯(cuò)相連，作物種類繁多，被村莊或道路分割。 因此，常用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)往往受天氣、軌道周期、分辨率、環(huán)境和云層的干擾而達(dá)不到精度要求。農(nóng)用無人機(jī)成像技術(shù)作為低空遙感技術(shù)之一，對(duì)于近地面尺度獲取作物長(zhǎng)勢(shì)信息具有重要應(yīng)用價(jià)值，其時(shí)效性、操作性更強(qiáng)，可有效彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用空間和時(shí)間分辨率上的不足，成為獲取農(nóng)林業(yè)遙感數(shù)據(jù)的重要組成工具。 搭載于無人機(jī)平臺(tái)的遙感設(shè)備或者傳感器主要有光學(xué)數(shù)碼相機(jī)、多光譜相機(jī)和高光譜成像儀。與普通數(shù)碼相機(jī)和多光譜相機(jī)比較，高光譜成像儀的波段更多、光譜分辨率更高，在捕捉地面細(xì)微特征信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[21]。

農(nóng)用無人機(jī)利用光譜遙感成像獲得含水量、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、生長(zhǎng)量等作物農(nóng)業(yè)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)與作物長(zhǎng)勢(shì)、養(yǎng)分含量和產(chǎn)量之間的模型監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)、預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量、推薦施肥，是傳統(tǒng)采樣測(cè)量和施肥技術(shù)的有效補(bǔ)充。 在作物推薦施肥技術(shù)方面，氮肥施用技術(shù)發(fā)展較快，而磷肥和鉀肥的遙感實(shí)施推薦技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢。例如，通過田間氮肥梯度試驗(yàn)和光譜遙感技術(shù)， 定量監(jiān)測(cè)和診斷作物冠層或者葉片氮素養(yǎng)分含量， 找出對(duì)葉片氮含量敏感的光譜特征和特異植被指數(shù)， 建立基于光譜特征和特異植被指數(shù)的葉片氮含量反演模型， 從而推薦理論氮肥用量，再進(jìn)行實(shí)際用量驗(yàn)證[22-23]。目前，江漢平原地區(qū)利用無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)主要集中在水稻、冬小麥、油菜、棉花、大豆和蓮藕上，同時(shí)也為農(nóng)作物病蟲害預(yù)測(cè)和及時(shí)飛防提供決策支持。 近年來，作物精準(zhǔn)施肥和高效施肥的迫切需求又推動(dòng)無人機(jī)精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)的發(fā)展。 在旱地作物如冬小麥和冬油菜上的模型構(gòu)建較優(yōu)， 推薦施肥用量合適，可以快速、有效地降低施肥量，提高肥料利用率。在水稻施肥技術(shù)上，由于易受分蘗期田面水和藻類、浮萍等綠色覆蓋物的嚴(yán)重干擾，機(jī)載高光譜無法高精度識(shí)別水稻幼苗和田面狀況， 導(dǎo)致模型構(gòu)建及方程擬合不太理想。因此，只有在去噪理論和技術(shù)上有所突破，才能更好地進(jìn)行水稻無人機(jī)適量追肥。

2 農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)作物生產(chǎn)上的應(yīng)用

目前， 農(nóng)用無人機(jī)作業(yè)對(duì)象已經(jīng)涵蓋了江漢平原全部農(nóng)作物，包括水稻、小麥等主要糧食作物，葡萄、柑橘、白菜等瓜果蔬菜，以及棉花、油菜、大豆等經(jīng)濟(jì)作物，尤其在水稻和油菜的病蟲害防治、播種和施肥上取得了重大成就[13，16，22]。 飛防調(diào)查結(jié)果表明，田間作物采用無人機(jī)施藥， 藥量可減少20%~40%，飛行作業(yè)成本120~150 元/hm2， 而人工施藥成本則是無人機(jī)施藥的3~4 倍。 相比于傳統(tǒng)人工農(nóng)藥噴灑作業(yè)，農(nóng)用無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)路線設(shè)定、農(nóng)藥自動(dòng)定量、精準(zhǔn)控制和低量噴灑作業(yè)。 農(nóng)用無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的向下氣壓有助于增加藥物對(duì)農(nóng)作物冠層的穿透力，用水量可減少90%， 能有效降低農(nóng)藥殘留對(duì)土壤和環(huán)境的污染。 荊州市冬小麥和油菜農(nóng)藥減施增效田間示范數(shù)據(jù)顯示，實(shí)施無人機(jī)噴藥，冬小麥平均用藥量為679.5 g/hm2，比農(nóng)戶習(xí)慣用量減少247.5 g/hm2，成本減少109.1 元/hm2， 施藥增加收益600 元/hm2；油菜的平均用藥成本減少18 元/hm2， 施藥增加收益900 元/hm2。江漢平原常用的農(nóng)用無人機(jī)為廣州極飛科技股份有限公司研發(fā)的無人機(jī)，在飛行速度6 m/s、用藥量12 L/hm2的條件下， 精噴區(qū)噴輻達(dá)到4.5 m，作業(yè)效率為9.71 hm2/h；快噴區(qū)噴輻達(dá)到6 m，作業(yè)效率為13.0 hm2/h。本文以江漢平原主要種植作物水稻和冬油菜為例，具體闡明農(nóng)用無人機(jī)在兩者上的應(yīng)用。

2.1 在水稻生產(chǎn)上的應(yīng)用

江漢平原稻田多， 農(nóng)業(yè)合作社和種田大戶規(guī)模較大， 因而水稻種植采用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)形成直播水稻無人機(jī)“4F”技術(shù)，即飛播、飛測(cè)、飛防和飛施。 其中：飛播主要采用北斗定位系統(tǒng)引導(dǎo)無人機(jī)精準(zhǔn)播種，作業(yè)效率為每航次5 min、1 334~3 335 m2，比傳統(tǒng)人工撒播或機(jī)械播種效率提高50 倍；飛測(cè)通過低空無人機(jī)載荷超高分辨率可見光相機(jī)或高光譜相機(jī)遙感，并采用AI 技術(shù)開展作物生長(zhǎng)苗情統(tǒng)計(jì)、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害監(jiān)測(cè)，精細(xì)田間管理；飛施是結(jié)合作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，精量追施作物養(yǎng)分；飛防采用離心霧化和超低容量變量噴灑技術(shù)， 對(duì)病蟲害精準(zhǔn)防治。 農(nóng)戶通過“4F”技術(shù)實(shí)現(xiàn)水稻種植的實(shí)時(shí)化、精確化、立體化和智能化管理，控制田間作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。通過無人機(jī)“4F”技術(shù)實(shí)施水稻直播，具有省工、省力、省時(shí)和高效的優(yōu)點(diǎn)[23]，平均可節(jié)本增效1 500 元/hm2，應(yīng)用前景廣闊。

江漢平原水稻飛播時(shí)間一般為5 月中下旬，前茬為冬閑田或綠肥或油菜，以無人機(jī)撒播為主，播種量為37~45 kg/hm2。無人機(jī)飛行高度為2.0~4.0 m，作業(yè)速度為6.0 m/s[16]。 荊門地區(qū)田間示范結(jié)果表明，撒播無人機(jī)產(chǎn)量達(dá)到9 627 kg/hm2， 比對(duì)照田塊增產(chǎn)11.5%，增加經(jīng)濟(jì)效益3 000 元/hm2。 但是，由于無人機(jī)飛行受外界氣流擾動(dòng)，容易導(dǎo)致漏播，使出苗均勻度較差。因此，撒播無人機(jī)需要開發(fā)和安裝漏播傳感器，以便及時(shí)在漏播區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種，提高田間出苗均勻度和最終產(chǎn)量。飛播水稻必須及時(shí)進(jìn)行化學(xué)除草，以土壤封閉為主，即在直播田水落干后，噴施30%丙草芐可濕性粉劑1 500 g/hm2或35%丙草吡啶可濕性粉劑1 350 g/hm2，需稀釋成400~500 倍液飛防。水稻常見病蟲害為稻瘟病、紋枯病、白葉枯病、條斑病和稻曲病。 稻瘟病在水稻抽穗初期和齊穗期各用藥1 次，可用藥劑有三環(huán)唑可濕性粉劑、稻瘟靈乳油。紋枯病在水稻分蘗期和孕穗期飛防， 主要藥劑有井岡霉素、紋霉清水劑、粉銹寧可濕性粉劑。 白葉枯病以預(yù)防為主， 可在秧苗三葉一心期噴施葉青雙可濕性粉劑、葉枯靈可濕性粉劑、施稻靈懸浮劑[17]。 稻曲病危害水稻穗部，可在抽穗前5~10 d 噴施井岡霉素水劑、粉銹寧乳油、滅黑靈可濕性粉劑。 江漢平原種植中稻為主，常見蟲害為稻飛虱和稻縱卷葉螟。一般在7 月上旬、8 月中上旬噴施5%氟蟲腈450 mL/hm2或25%噻嗪酮可濕性粉劑750 g/hm2， 按照說明書施用。 稻縱卷葉螟在水稻秧苗期和孕穗期進(jìn)行綜合防治，可使用31%氟腈·唑磷微乳劑、毒死蜱、稻豐散、8 000 IU/mg 蘇云金桿菌可濕性粉劑4 500 g/hm2，將藥劑稀釋成600 倍液飛防， 將細(xì)霧均勻噴霧于稻株中上部。水稻施肥分為基肥和分蘗肥，基肥可施用水稻專用肥或者緩控釋肥， 追肥以飛施氮肥尿素為主[23]，用量為40~60 kg/hm2。

2.2 在冬油菜生產(chǎn)上的應(yīng)用

農(nóng)用無人機(jī)在冬油菜生產(chǎn)上的應(yīng)用主要包括播種、施藥和追肥。 一是無人機(jī)飛播。 根據(jù)油菜種植時(shí)間， 無人機(jī)飛播可分為谷林套種飛播和稻后輪作飛播。 谷林套種飛播，即在水稻機(jī)械收獲前3~7 d，利用無人機(jī)飛播， 使油菜籽均勻撒落在水稻稻樁間隙地表。江漢平原谷林套種飛播期為9 月16 日至10 月6 日。 采用聯(lián)合收割機(jī)收獲水稻，用稻草覆蓋地表，施用基肥，然后利用開溝機(jī)開溝覆土。這種方式種植的油菜生育期長(zhǎng)、 產(chǎn)量高， 以收獲油菜籽為主要目標(biāo)，但受天氣尤其是降雨影響較大。 稻后輪作飛播，即在水稻機(jī)械收獲后飛播油菜籽， 在水稻收獲后施用基肥，旋耕整田，開溝，再飛播。 因此，油菜播種時(shí)間不宜遲于10 月16 日，否則不利于后茬水稻種植。冬油菜飛播的播種量通常為7.5~15.0 kg/hm2，并配以輔料如種肥等提高飛播效果。 以極飛科技飛行作業(yè)為例，小型無人機(jī)載重15 kg，飛行時(shí)長(zhǎng)5~6 min，單次油菜播種面積0.67~0.80 hm2，飛速6~7 m/s；中型無人機(jī)載重40 kg，飛行時(shí)長(zhǎng)7~8 min，單次油菜播種面積1.33~1.67 hm2，飛速6~7 m/s。 飛播播盤寬度為10~13 m，飛行高度6 m，也可根據(jù)地塊實(shí)際情況（如障礙物）調(diào)節(jié)飛行高度。 二是無人機(jī)施藥。 冬油菜苗期防治蚜蟲和跳甲，展葉期防治甜菜夜蛾、斜紋夜蛾、小菜蛾和蚜蟲，初花期防治菌核病和蚜蟲。 油菜生長(zhǎng)期不僅需要防治病蟲害，還要根據(jù)需求、成本和效益合理添加生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和葉面肥[8]。 原則上，將農(nóng)藥和水溶肥溶于水中稀釋1 000 倍； 混配類型不超過3 種； 盡量減少可濕性粉劑的施用， 以免堵塞噴頭，做到現(xiàn)配現(xiàn)用。 三是無人機(jī)追肥。 主要是越冬期和蕾薹期追肥。一般根據(jù)冬油菜長(zhǎng)勢(shì)，用農(nóng)用無人機(jī)飛施顆粒尿素，用量為75~150 kg/hm2。

3 農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)在養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用

江漢平原河湖、低洼地眾多，適合進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，以池塘養(yǎng)魚和稻田復(fù)合種養(yǎng)模式為主。近年來，稻蝦輪作模式受到農(nóng)戶的普遍歡迎，養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大。荊州是江漢平原主要產(chǎn)蝦地區(qū)。 2020 年，荊州市小龍蝦養(yǎng)殖面積達(dá)23.2 萬hm2， 占湖北省總面積的30%；產(chǎn)量41.6 萬t，占全國(guó)產(chǎn)量的22%。 稻田小龍蝦生產(chǎn)涉及放養(yǎng)蝦苗、精心投料、水質(zhì)管理和疾病預(yù)防等方面，其中常規(guī)投料環(huán)節(jié)不僅次數(shù)多（2 d 投放1 次），而且效率低（小龍蝦怕光，多在夜間進(jìn)行）。隨著農(nóng)戶養(yǎng)殖面積的擴(kuò)大， 人工投料已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求。 農(nóng)用無人機(jī)投料可有效解決稻田投料難題。 調(diào)查結(jié)果表明，無人機(jī)投料作業(yè)可達(dá)5 hm2/h，投料量為15 kg/hm2， 每航次可投料5 kg。 相比人工投料，農(nóng)用無人機(jī)投料不僅均勻，而且便于管理，顯著降低飼養(yǎng)成本[18]。

池塘養(yǎng)魚采用農(nóng)用無人機(jī)投喂飼料也逐漸在荊州、潛江和荊門等地推廣。 調(diào)研表明，一般農(nóng)用無人機(jī)的飼料載重量為20 kg，投喂效率為12 hm2/h，是傳統(tǒng)人工作業(yè)的8~10 倍。農(nóng)用無人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的行走路線均勻撒料，投料橫幅可達(dá)6~8 m，有利于淡水魚生長(zhǎng)規(guī)格整齊以及尾水凈化循環(huán)使用。

4 展望

農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)具備快速有效提供地面信息和添加配套設(shè)備的優(yōu)勢(shì)， 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和規(guī)模農(nóng)業(yè)上的發(fā)展?jié)摿薮?，尤其在土地估算、作物管理、農(nóng)業(yè)噴涂、養(yǎng)殖檢測(cè)和投放各種物料方面發(fā)揮著更大的作用[16，24-25]。 對(duì)江漢平原地區(qū)種養(yǎng)殖業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)用無人機(jī)在荊州、荊門、潛江、仙桃和天門地區(qū)的大田作物如水稻、油菜和小麥的播種、施肥、飛防作業(yè)上基本成熟，并被普遍推廣，完全替代了人工作業(yè)；農(nóng)用無人機(jī)在沿江范圍稻蝦輪作區(qū)、池塘集約養(yǎng)殖的小龍蝦投料作業(yè)上發(fā)展迅速， 相比人工投料更加便捷、經(jīng)濟(jì)和高效；農(nóng)用無人機(jī)在吊瓜、葡萄、蓮藕蔬菜等特色作物的農(nóng)藥和葉面肥噴施作業(yè)上的應(yīng)用也逐步擴(kuò)大。

未來農(nóng)用無人機(jī)的發(fā)展應(yīng)在硬件、軟件和專業(yè)化推廣方面發(fā)力。一是在硬件方面，進(jìn)一步提高無人機(jī)續(xù)航能力、載重能力，適配多種傳感器和機(jī)載工具，拓展農(nóng)用無人機(jī)的業(yè)務(wù)范圍。 二是在軟件方面，針對(duì)不同作物進(jìn)行軟件包制定、數(shù)據(jù)處理和深度算法優(yōu)化，增強(qiáng)圖像識(shí)別能力，做到圖像識(shí)別與精準(zhǔn)投放同步進(jìn)行，從而節(jié)約航次，提高作業(yè)效果。 三是專業(yè)化推廣是無人機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)后應(yīng)主要考慮的因素?？梢越Y(jié)合地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的周期性和作物、魚蝦生長(zhǎng)特性，做到全季節(jié)覆蓋，合理安排作物播種、施肥、打藥等環(huán)節(jié)的銜接工作， 適配養(yǎng)殖區(qū)路線優(yōu)化和投量適時(shí)調(diào)控，增加農(nóng)用無人機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)效益。隨著人工智能在不同行業(yè)應(yīng)用的深化， 區(qū)塊鏈技術(shù)被廣泛應(yīng)用到政府、企業(yè)和行業(yè)組織[3，26]。 尤其在平原地區(qū)，多機(jī)械聯(lián)合作業(yè)越來越普遍， 區(qū)塊鏈技術(shù)可為農(nóng)用無人機(jī)協(xié)同作業(yè)、信息共享提供數(shù)據(jù)傳輸與信息交換， 能夠?yàn)闃?gòu)建智慧農(nóng)業(yè)農(nóng)用無人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)提供重要的技術(shù)支持，進(jìn)而更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的機(jī)械化和信息化水平。