摘 要：植保無人機的出現(xiàn)顯著提高了農(nóng)藥和水資源的利用效率，減少了化學(xué)農(nóng)藥的使用，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，其便捷省力的特點對于我國農(nóng)村勞動力短缺與人口老齡化的解決有著極大的意義。作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要工具，植保無人機的應(yīng)用價值不僅體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，其綠色化成效對全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展同樣貢獻(xiàn)巨大。通過分析我國植保無人機基本概況和農(nóng)村農(nóng)業(yè)施藥方式的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合圖像分割技術(shù)、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、圖像識別算法等，設(shè)計出了“全天候、高效率、高準(zhǔn)度、低能耗”的害蟲識別消殺一體化無人機系統(tǒng)，并驗證了植保無人機的應(yīng)用效果較好，可以減少防治藥劑的用量，提高作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)植保無人機；生產(chǎn)成本；規(guī)?；?；綠色化

中圖分類號：S252.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–00-03

作為一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)航空技術(shù)，植保無人機以其高效、精準(zhǔn)、環(huán)保的特點，正改變著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的植保作業(yè)模式。通過使用無人機搭載的傳感器和圖像處理技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)控農(nóng)田的生長狀況和病蟲害情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，從而實現(xiàn)精確施肥和精準(zhǔn)噴藥。植保無人機不僅顯著降低了化學(xué)農(nóng)藥的使用量，減少了環(huán)境污染，還提高了農(nóng)藥的利用效率，避免了藥劑浪費。

1 我國農(nóng)業(yè)植保無人機基本概況

1.1 大規(guī)模應(yīng)用

植保無人機可以輕松覆蓋大面積的農(nóng)田，相較于傳統(tǒng)的植保方法如人工背負(fù)式噴霧器，無人機大幅減少了對人力的依賴和整體作業(yè)的時間消耗。實際應(yīng)用效果顯示，植保無人機的噴灑效率是傳統(tǒng)手工噴灑的30倍以上，不僅提高了作業(yè)效率，還顯著降低了勞動成本。

1.2 環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展

植保無人機配備高精度的GPS和先進(jìn)的傳感器，能夠精確控制藥劑的使用量和噴灑位置，顯著減少農(nóng)藥和化肥的使用量，這不僅減少了化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境的污染，還減少了農(nóng)作物的藥物殘留。

1.3 技術(shù)創(chuàng)新

隨著人工智能、機器學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，植保無人機的性能和功能不斷提升。例如，通過配備實時圖像識別技術(shù)，無人機可以在飛行中即時識別病蟲害種類，自動調(diào)整藥劑類型和噴灑量，這些技術(shù)創(chuàng)新極大地提高了植保無人機的智能化水平和作業(yè)準(zhǔn)確性。

1.4 政策支持

隨著政策的扶持和市場需求的增加，植保無人機的市場規(guī)模持續(xù)擴大。2017年以來，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部通過實施農(nóng)機購置補貼政策，引導(dǎo)無人機的規(guī)范應(yīng)用，無人機的年銷量從2017年的不足1 000架增至2020年的1.53萬架，市場規(guī)模達(dá)到25億元，同比增長44.5%，年作業(yè)面積近0.2億 hm2。

2 農(nóng)村農(nóng)業(yè)施藥方式的應(yīng)用現(xiàn)狀

第一，施藥器械落后，農(nóng)藥利用率不高。在農(nóng)村地區(qū)，大部分農(nóng)民仍采用背負(fù)式噴霧器，該施藥模式平均作業(yè)時間長，作業(yè)效率低于植保無人機作業(yè)。研究數(shù)據(jù)顯示，植保無人機作業(yè)效率是電動背負(fù)式噴霧器作業(yè)效率的23.7倍。已有研究表明傳統(tǒng)除蟲方式的農(nóng)藥有效附著率僅不到10%，這表明有大量浪費的農(nóng)藥進(jìn)入分作業(yè)環(huán)境，在污染環(huán)境的同時也增加了生產(chǎn)成本。

第二，農(nóng)藥殘留超標(biāo)，生產(chǎn)中毒問題時有發(fā)生。由于利用率低，治理效果不佳，農(nóng)民為避免蟲害的發(fā)生不得不重復(fù)噴灑，形成惡性循環(huán)，出現(xiàn)了不斷重復(fù)大量噴灑農(nóng)藥致使莊稼農(nóng)藥殘存率超標(biāo)的現(xiàn)象。聯(lián)合國統(tǒng)計顯示，我國每年有價值74億美元的出口商品為此受到影響。此外，我國每年農(nóng)忙正值夏季，農(nóng)民衣衫單薄，若不做好有效防護，霧化農(nóng)藥極易進(jìn)入農(nóng)民的體內(nèi)，危害農(nóng)民身體健康。

第三，土地流轉(zhuǎn)，農(nóng)村人口老齡化對植保無人需求巨大。當(dāng)前，我國老人規(guī)模不斷擴大，農(nóng)業(yè)方面出現(xiàn)勞動力減少等問題。土地流轉(zhuǎn)政策的出臺，對于土地承包大戶而言，招募大量的人工作業(yè)無疑會增加用工成本，也會出現(xiàn)工人難以招募的情況。而植保無人機高效集約成本低的優(yōu)點順應(yīng)了該趨勢，有效緩解了勞動力不足的問題。通過采取植保專業(yè)技術(shù)隊伍帶動農(nóng)民的方式，充分挖掘農(nóng)業(yè)植保技術(shù)的價值，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，帶動植保相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

3 農(nóng)業(yè)植保無人機帶來的效益

3.1 經(jīng)濟成本方面

在經(jīng)濟成本方面，通過農(nóng)業(yè)行業(yè)觀察調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)人工防治方法，植保無人機的噴灑效率是傳統(tǒng)人工的15～80倍，農(nóng)藥使用量、用水量分別比傳統(tǒng)人工至少節(jié)約50%和90%。植保無人機通過搭載傳感器和攝像頭，實時監(jiān)測農(nóng)田狀況，并精確施藥、施肥、灌溉，以應(yīng)對病蟲害、雜草等問題，在節(jié)約成本的同時保證作物的產(chǎn)量。以日照市為例，在應(yīng)用無人機后，其用藥效率高于常規(guī)作業(yè)數(shù)值10倍以上，同時節(jié)約近50%的農(nóng)藥使用量、90%的用水量，防治面積在3.33 hm2以上，平均作業(yè)成本10元/667 m2左右[1]。

3.2 施藥效率方面

在施藥效率方面，無人機能夠快速覆蓋大片農(nóng)田，并在發(fā)現(xiàn)病蟲害或其他問題時迅速采取行動，防止問題擴大，保護作物生長環(huán)境，從而提高產(chǎn)量。研究表明，植保無人機作業(yè)效率為傳統(tǒng)電動噴霧器的23.7倍，作業(yè)成本大幅度減少，在規(guī)?；鳂I(yè)方面發(fā)展前景良好[2]。以大疆GM-1為例，每次作業(yè)面積為

1 hm2，效率為人工作業(yè)的40～60倍，單次作業(yè)防治面積擴大，農(nóng)藥利用率提高，農(nóng)藥使用成本降低，生產(chǎn)效率提高，使農(nóng)民收入有效增長。

3.3 生態(tài)農(nóng)業(yè)方面

第一，為了減少蟲害，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方法常大規(guī)模噴灑農(nóng)藥，導(dǎo)致農(nóng)藥浪費，且農(nóng)藥具有毒性，給土壤、水資源等環(huán)境帶來不良影響，同時還需要大量人力物力進(jìn)行噴施，生產(chǎn)成本較高。植保無人機通過精確定位和智能化控制，對指定區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的噴灑操作，顯著減少了農(nóng)藥的消耗和浪費，也降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境造成的污染。因此，植保無人機是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中不可或缺的技術(shù)支撐。根據(jù)相關(guān)研究，使用無人機進(jìn)行農(nóng)藥噴灑的效率可以超過90%，表明該技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法[3]。

第二，無人機具備搭載多種設(shè)備的能力，可實時監(jiān)控和預(yù)警病蟲害，協(xié)助農(nóng)民及時實施相應(yīng)的預(yù)防措施，以減輕病蟲害對農(nóng)作物造成的損害，更好地保護生態(tài)環(huán)境[4]。無人機具有作業(yè)效率高、成本低等優(yōu)勢，能夠有效緩解當(dāng)前我國農(nóng)村勞動力不足的問題。利用無人機開展作業(yè)，能夠精準(zhǔn)地控制農(nóng)藥的使用量和適用范圍，不需要大量人員操作，有效降低勞動力成本，減輕勞動強度。

農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展依賴于科技創(chuàng)新，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的過程中，科技水平的不斷提高促使植保無人機迅速發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供了強大的支撐，取得了顯著的成效。

3.4 低碳環(huán)保方面

作為國民經(jīng)濟的重要組成部分，農(nóng)業(yè)也面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式往往伴隨著高能耗、高排放等問題，而植保無人機的出現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)低碳革命提供了新的契機。

在減少能源方面，相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械，植保無人機具有更低的能耗。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械在作業(yè)過程中需要大量的燃油消耗，植保無人機則采用電力驅(qū)動，具有更低的能耗和排放，還可以在短時間內(nèi)完成大面積的農(nóng)田作業(yè)，進(jìn)一步提高能源利用效率。

在推動低碳環(huán)保方面，植保無人機發(fā)揮著重要作用。通過精準(zhǔn)施藥、施肥等作業(yè)，植保無人機可以減少化學(xué)藥劑的過量使用，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放。并且植保無人機在作業(yè)過程中無需燃油消耗，減少了溫室氣體的排放，同時實現(xiàn)農(nóng)田的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的決策支持，推動農(nóng)業(yè)向更加環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)展。

作為一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)航空技術(shù)，植保無人機具有巨大的潛力和優(yōu)勢，通過減少能源消耗、推動低碳環(huán)保等方式，為農(nóng)業(yè)低碳革命提供了新的契機。

4 農(nóng)業(yè)植保無人機的設(shè)計及其應(yīng)用效果

項目組推動設(shè)計的新型植保無人機將圖像分割技術(shù)、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、圖像識別算法等相結(jié)合，設(shè)計出“全天候、高效率、高準(zhǔn)度、低能耗”的害蟲識別消殺一體化無人機系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用形態(tài)學(xué)結(jié)合算法，有效地將害蟲與背景分離，該系統(tǒng)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的VGG16模型和SIM900A遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)。

4.1 農(nóng)業(yè)植保無人機的設(shè)計

4.1.1 圖像分割技術(shù)

應(yīng)用算法：結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，該系統(tǒng)有效地將害蟲圖像與背景分離，這一步驟是害蟲識別過程中的關(guān)鍵，確保了后續(xù)處理的準(zhǔn)確性。

優(yōu)化處理：采用自適應(yīng)閾值處理技術(shù)優(yōu)化圖像分割結(jié)果，減少環(huán)境因素如光照和陰影對害蟲識別的干擾。

4.1.2 遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)

核心技術(shù)：使用SIM900A模塊，支持GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，保證了數(shù)據(jù)在大面積農(nóng)田中的長距離實時傳輸，極大地減少了數(shù)據(jù)丟失問題。

網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性：系統(tǒng)具備自動重連功能，即使在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中通信中斷，也能快速恢復(fù)連接，保證作業(yè)的連續(xù)性。

4.1.3 圖像識別算法

深度學(xué)習(xí)模型：采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的VGG16模型，這一模型已廣泛應(yīng)用于圖像識別領(lǐng)域，特別適合用于處理農(nóng)業(yè)害蟲圖像的識別問題。

算法優(yōu)勢：VGG16模型因其結(jié)構(gòu)簡潔且深度適中，使得識別過程既高效又準(zhǔn)確，能夠處理各種復(fù)雜的害蟲識別場景。

4.1.4 系統(tǒng)特點與成本效益

全天候操作：系統(tǒng)能滿足各種氣候條件下的操作需求，無論是陰雨天還是晴朗天氣，均能穩(wěn)定工作。

高效率與低能耗：優(yōu)化的飛行路徑和智能化的作業(yè)計劃大幅提高了作業(yè)效率，同時系統(tǒng)的低能耗設(shè)計減少了運行成本。

經(jīng)濟性：與傳統(tǒng)的人工噴灑相比，無人機的使用大幅度降低了人工成本和時間成本，農(nóng)藥使用的精準(zhǔn)性也顯著減少了農(nóng)藥的總體使用量，經(jīng)濟效益顯著提高。

環(huán)境影響：精確控制的噴灑量和精準(zhǔn)的作業(yè)區(qū)域定位，顯著減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)，符合當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。

4.2 應(yīng)用效果

項目組采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的VGG16模型和圖像分割技術(shù)識別農(nóng)業(yè)害蟲，并根據(jù)無人機噴灑農(nóng)藥的特點，使用專門設(shè)計的高濃縮劑型農(nóng)藥，用量少、顆粒細(xì)，相較于人工作業(yè)可大幅度減少田間病蟲害防治藥劑的用量。

在小麥赤霉病防治的植保無人機與傳統(tǒng)施藥機械效果的田間比較試驗中，無人機的病指防效達(dá)到87.9%，與效果最好的背負(fù)式電動噴霧器相比沒有顯著差異；通過空白對照，發(fā)現(xiàn)無人機處理小麥的產(chǎn)量增幅較背負(fù)式電動噴霧器處理減少了1.91個百分點，但其機械效率是背負(fù)式電動噴霧器的19倍，成本降低了90.24%[5]。在水稻二化螟和紋枯病防治過程中，與傳統(tǒng)防治方式相比，無人機在防治效果相當(dāng)?shù)那闆r下能減少10%的藥劑使用量，節(jié)水率高達(dá)98%以上，有效解決了農(nóng)藥造成的環(huán)境污染問題[6]。

同時，配備了害蟲識別消殺一體化無人機系統(tǒng)的植保無人機藥劑使用量可縮減至原藥劑使用量的85%，大幅度減少了用藥成本，提高了用藥效率。總體而言，

無人機應(yīng)用的優(yōu)勢顯著，主要體現(xiàn)在低空低容量噴霧、精準(zhǔn)靶向噴灑，避免了農(nóng)藥漂移和流失問題出現(xiàn)，在提高防治效果和效率方面具有顯著價值。

5 農(nóng)業(yè)植保無人機應(yīng)用的市場前景

植保無人機應(yīng)用的市場前景十分廣闊，截至目前，植保無人機應(yīng)用的市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到數(shù)十億美元。隨著植保無人機技術(shù)的不斷成熟和市場需求的增長，預(yù)計該市場規(guī)模將繼續(xù)擴大[7]。經(jīng)行業(yè)分析和市場研究機構(gòu)的預(yù)測，未來幾年內(nèi)，植保無人機市場有望繼續(xù)保持穩(wěn)健增長，復(fù)合年增長率（CAGR）可能超過10%。2019年，中國植保無人機市場規(guī)模約為46.60億元；2020年，受5G應(yīng)用和無人機技術(shù)革新等因素的影響，植保無人機的市場規(guī)模增至67.9億元。

多年來，我國植保無人機保有量持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計，2016年植保無人機保有量為6 500架，而截至2019年底，我國已經(jīng)生產(chǎn)170多種植保無人機，保有量超過5.5萬架，2020年我國植保無人機的數(shù)量大幅度增加至10萬架。

放眼國內(nèi)外市場， 中國是全球最大的農(nóng)業(yè)國之一，擁有廣闊的農(nóng)田面積和龐大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化水平的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對高效、精準(zhǔn)、綠色的農(nóng)業(yè)植保技術(shù)的需求不斷增長。許多國家和地區(qū)也面臨著類似中國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化轉(zhuǎn)型的需求，因此，農(nóng)業(yè)植保無人機技術(shù)具有較強的國際市場拓展?jié)摿?。同時，國際市場競爭激烈，來自美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家的企業(yè)也在積極布局農(nóng)業(yè)植保無人機市場。

6 結(jié)束語

植保無人機技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來了革命性的進(jìn)步，通過開展高效率的植保作業(yè)，顯著提高了農(nóng)藥和水資源的使用效率，減少了對環(huán)境的影響。還通過精確控制，減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化學(xué)藥品的使用，保護了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，這種資源的高效利用對于資源保護和成本控制至關(guān)重要。此外，無人機的應(yīng)用大幅提高了作業(yè)效率，降低了農(nóng)民的勞動強度，使得農(nóng)業(yè)管理更加科學(xué)和精細(xì)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟與市場的擴展，植保無人機將更有效地促進(jìn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化、智能化和綠色化發(fā)展，為全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)重要力量。

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