2024年3月27日发(作者：)
技术设计与试验应用
植保无人机作业参数对水稻
冠层雾滴沉积分布影响研究
余文胜
1
，
郑文钟
2
，
洪一前
#
，
杨晓平
1
，
宋涛
$
，
金浙红
％
，
董玉玲
1
(
1
浙江省农业机械试验鉴定推广总站
，
310020,
浙江杭州
;
2
浙江大学
，
310058,
浙江杭州
;
3
金华市农业机械管理站
，321017,
浙江金华
;
4
浙江省植保检疫与农药管理总站
，
310004,
浙江杭州
；
5
浙江省畜牧农机发展中心
，
310020
,
浙江杭州
)
摘要
：
为获得相对较好的植保无人机水稻病虫害防治效果
，
以小型四旋翼农用植保无人机开展水稻喷雾试验
，
采用三
因素三水平正交试验法对无人机喷头流量
、
作业高度
、
飞行
学防治是当今国内外水稻病虫害防治的主要方式
，
农
药施药方式有人工喷施
、
地面机械喷施和航空喷施
。
以
植保无人机为代表的航空喷施是浙江省近年来发展起
速度的三个作业参数优化组合
#
根据雾滴沉积密度和沉积
量及其均匀性结果
,
较佳的作业参数是喷头流量
3.0
L/
来的一种新的水稻病虫害防治方式
，
具有作业效率高
、
成本低
、
作业受地形影响小
，
以及施药人员安全等优
&in
、
作业高度
2.5
&
、
飞行速度
4.5
&/s
；
影响雾滴沉积密
点
$
目前全省水稻植保无人机作业面积不大
，
总体上
处于起步阶段
$
植保无人机喷雾雾滴在水稻冠层沉积
度的因素主次顺序为作业速度
、
飞行高度
、
喷头流量
，
而影
响沉积量均匀性的因素主次顺序亦是作业速度
、
飞行高度
、
喷头流量
&
通过优选植保无人机作业参数
，
既能提高喷雾雾
分布状况对病虫害防治效果有重要影响
，
而植保无人
滴沉积效果
，
又为获得较好病虫害防治效果奠定基础
&
机作业参数是影响其雾滴沉积分布的关键因素
$
目前
，
水稻种植管理中植保无人机作业参数的确定主要依靠
关键词
：
植保无人机
；
水稻
；
雾滴沉积
；
作业参数
；
正交试验
飞手经验
，
从而对防治效果产生了一定影响
$
鉴此
，
本
水稻是浙江省种植面积最大
、
总产量最高的粮食
作物
$
据统计
,
2018
年浙江省水稻种植面积
65.107
万
hm
2
,
占全省粮食种植面积的
66.73%
；
同期全省水稻总
文在参考国内同类研究文献基础上
，
利用正交试验设
计法
，
寻求能获得较好喷雾雾滴分布的植保无人机作
业参数
，
进而为浙江省植保无人机在水稻病虫害防治
作业中的应用推广普及提供参考
$
产量
477.40
万
t
,
占粮食总产量的
79.68%$m
水稻病虫
害种类繁多
,
据相关文献报道有
139
种
,
其中病害
61
"
材料与方法
种
&
虫害78
种叫
国内每年因病虫害发生导致粮食减
产占总产量的
15%~40%
$
因此
,
加强水稻病虫害防治
,
1.1
试验材料
l.
1.1
试验设备试验植保无人机选用浙江东田科技有
对减少水稻产量损失
、
确保粮食安全具有重要意义
。
化
基金项目
：
2020
年浙江省
“三农六方”
科技协作计划项目
《
农用
植保无人机作业标准
》(
2020SNLF005
)$
限公司生产的
3WD4-10
型多旋翼无人机
，
外形尺寸
(
直径
"
高
)
为
。
1
225
mm
x
450
mm
,
喷头对角间距
1.2
m
,
喷头
4
个
,
喷头类型为扇形喷雾头
,
布置方式为前
作者简介
：
余文胜
(1969-)
，
男
，
浙江天台人
，
大学
/
硕士
，
高级工程
师
,
主要研究方向为农机试验鉴定推广
$
后各
2
个
;
便携式风速风向仪
；
便携式温湿度仪
；
电子
秤
、
量杯
；
采集卡布放架
；
canon
lide
400
型扫描仪
；
自
放双控
，
严格执行
《
浙江省拖拉机报废更新管理办法
》
,
对
符合强制报废
6
种条件的变型拖拉机
，
一律不再受理延
检
，
从源头上防止问题拖拉机上路
，
加快消化拖拉机存
扎实推进道路运输拖拉机专项治理工作的通知
》
。
市政
府召开专项治理行动会议进行推进
，
市农业农村局建
量
。
规范外省籍拖拉机及驾驶人信息登记
,
实施
“
三个一
立
6
个督查组抓落实
。
6
月
，
启动了拖拉机专项治理行
动集中治理月活动
，
各区县锁定年底实现清零目标
，
加
大宣传劝导、
政策引导
，
深入推进拖拉机淘汰治理
$
公
安部门建立每周
2
次上路检查和逢十巡查工作制度
,
律
、
六不发证
”
制度
，
严格登记凭证发放
,
有效倒逼退出
$
5
政策引导
,
实施提前报废淘汰专项治理
为巩固拖拉机专项治理成果
，
积极争取党委政府
严厉查处拖拉机违法行为
$
农业农村部门联合公安部
门开展执法
，
建立
“
查扣
一
核实
一
反馈
一
动员
一
处置
”
的
重视
,
2019年
，
经市政府常务会议同意
，
市农业农村局
联合
8
部门下发了
《
湖州市拖拉机限行禁入和提前报
信息沟通和工作机制
，
及时反馈查扣拖拉机及驾驶人信
废淘汰专项治理行动实施方案
》
，
出台了
《
湖州市鼓励
拖拉机提前报废淘汰补偿办法
》
，
联合公安发布了
《关
息配合查处
，
按照
“
见一辆查一辆
”
要求
,
不放过一台上
道路行驶拖拉机
，
及时落实补偿政策
，
取得了专项治理
行动显著成效
，
实现了
“
零活动
、
零雇用
”
双清零目标
$
于对拖拉机实施全市道路限行的通告
》
,
下发了
《
关于
2021
年第
1
期
29
技术设计与试验应用
封袋
;
等等
。
1.1.2
供试药剂喷雾试验中所用药剂为亮泰
(
阿维•氯
甲酰胺
)
、
农精灵
(
苯甲•嘧菌酯
)
，
生产企业分别为先正
达
、
惠州银农科技
；
喷雾指示剂诱惑红为胭脂红
,
生产
企业为上海染料研究所有限公司
$
1.1.3
防治对象水稻一代二化螟
、
白叶枯病等
$
1.2
场地气候
1.2.1
试验地址试验地址选在金华市佐合粮食专业合
作社
,
水稻栽植方式为直播
，
品种为中早
39
,
生育期为
分蘖期
，
水稻植株平均高度
25~30
cm
,
112.5
万株
/hm
&
。
田块地势平坦
、
肥力均匀
、
保水性能好
、
排灌方便
。
1.2.2
环境气候
试验时间为
2020
年
5
月
22
日
11
：
10
—
13
：
30
$
当天天气阴天
，
环境气温
22-25.1
!
，
平均相对
湿度
78.2%
,
风速
0.61
m/s
,
东偏南
2
级
。
1.3
试验方法
1.3.1
试验设计试验采用三因素三水平的正交试验设
计方法
，
考察植保无人机飞行高度
、
作业速度
&
喷头流
量对农药药液雾滴的影响
83
,役正交试验设计的因素
&
水平如表
1
所示
$
表
1
试验因素与水平
因素
水平
喷头流量
g
(
A
)
作业高度
*
(
B
)
飞行速度
+
(
C
)
/
(
L*min
-1
)
/m
/
(
m*
s
-1
)
1
1.51.5
3.5
2
2.5
2.04.5
33.0
2.5
6.0
试验选用
L
-
(
3
4
)
正交表来安排试验
，
表
2
为正交
试验方案表
，
将考察因素每列中的数值换成相应的水
平的实际数值
$
表
2
正交试验方案表
试验
A
B
C
D
组号
(
喷头流量
)
(
飞行高度
)
(
飞行速度
)
(
空列
)
11
1
1
1
2
1
2
2
2
3
1
333
4
2
1
2
2
5
2
2
33
6
2
3
1
1
7
3
1
33
83
2
1
1
9
33
2
2
30
1.3.2
采样点布置在试验区块
，
分别在小区长度的
1/4
&
2/4
&
3/4
处
，
按与植保无人机飞行作业方向的垂直
方向
，
各设置一条雾滴采集带
(
采集带由三个采集点构
成
,
相邻采集点间距离为
1
m
,
中间一个采集点布置在
无人机航道中心线
),
每条航道设置
3
条雾滴采集带
,
一个试验小区内相邻的三条航道内设置雾滴采集带
,
共
9
条雾滴采集带
、
27
个雾滴采集点
$
雾滴采集卡编
号规则
:
!
-
"
。
/
为试验区块的标号
，
取值范围
1~9
；
"
表
示第
/
个试验区的采样点
，
取值范围
1~27
$
1.4
数据采集处理
1.4.1
数据采集每次试验完毕
，
待采集卡上的雾滴干
燥后
，
按照序号收集雾滴采集卡，
然后逐一放入相应的
密封袋中
，
回办公室处理
。
将收集的雾滴采集卡逐一用
扫描仪扫描
，
扫描后的图像通过图像处理软件Deposit
Scan(V1.2)
进行处理分析
，
根据文献
［
5
］
中方法
，
得到植
保无人机不同作业参数下的雾滴覆盖率
、
覆盖密度和
单位面积上的沉积量
$
1.4.2
数据处理为表征试验中各采集点之间的雾滴
覆盖密度
(
或沉积量
)
均匀性
，
以植保无人机有效喷幅
区内不同采集点上雾滴覆盖密度
(
或沉积量
)
的变异系
数
(
CV
)
来衡量试验中雾滴的分布均匀性
,
变异系数
(
CV
)
计算见公式
(
1
)
、(
2
)$
变异系数越小表示雾滴覆
盖越均匀
$
CV
=
%
100%
(
1
)
s
=
(
Xi-X
)
2
/
(
n-1
)
(
2
)
式中
:
S
为同组试验采集样本标准差
；
Xi
为各采集
点单位面积上的雾滴密度
(
或沉积量
),
个
・
cm
l2
(
或
!
L-cm
-
2
)
；
X
为各组试验采集点的平均雾滴密度
(
或沉
积量
),
个
-
cm
-2
(
或
p,L
-
cm
-2
)
；
n
为各组试验采集点
个数
$
2
结果与分析
2.1
冠层雾滴沉积分布特征
按照预先确定的试验方案的
9
个处理
，
植保无人
机在
9
个试验田块内分别进行喷雾作业
,
对收集到的
雾滴采集卡利用软件处理
,
可得到用于描述植保无人
机喷雾雾滴沉积分布特征的相关指标参数
［
69
$
各处理下
的指标值详见表
3
$
2.1.1
沉积覆盖率和分布密度及均匀性
根据水稻化
学防治对无人机喷雾质量要求
,
较高的雾滴覆盖率和
雾滴密度
,
以及雾滴分布均匀是取得较好防治效果的
前提
。
由表
3
可知
，
有较高的密度和雾滴覆盖率的处理
为处理
1
、
处理
8
、
处理
9
,
尤其是处理
1
最高
,
其次是
XIANDAI
测知|
NONGJI
11
处理
9
。
另一方面
，
为考察雾滴密度和雾滴沉积分布的
均匀性
，
利用公式
（
1
）
、
（
2
）
计算出
9
个不同处理下的雾
滴沉积密度和沉积量的均匀性
，
结果见表
4
。
由表
4
可
知
，
沉积密度较大且其雾滴密度变异系数较小的处理为
处理
1
、
处理
8
、
处理
9
三个处理
。
同理
，
由表
4
可知
，
沉积
量较高且其变异系数较小的处理有处理
6
、
处理
9
两个
表
3
植保无人机喷雾雾滴在水稻群体内的沉积分布
试验雾滴覆雾滴密度
雾滴粒径
/!$
相对粒
组号盖率
/%
/
（
个
-cm-
2
）
DV
.1
DV
.5
DV
.9
谱宽度
1
7.75
60.966
220.30
472.59787.04
1.20
2
4.02
19.841
248.33
530.44795.70
1.03
3
2.36
13.696
256.11
512.93
727.52
0.92
4
2.67
19.548
222.89
464.56
696.41
1.02
5
2.53
19.170
214.04
405.26
603.78
0.96
6
3.90
11.426
316.30
668.70
1
049.93
1.10
7
2.88
25.911
193.48
397.74
645.82
1.14
8
7.32
31.989293.48
638.70952.52
1.03
9
5.17
40.589202.96
416.15
692.00
1.18
表
4
水稻植保无人机雾滴沉积试验结果及处理
试验
雾滴沉积
沉积均匀性
/%
组号
密度
/
（
个
•#
m
-2
)
沉积量
/
(
^L-cm
-2
)
密度沉积量
1
60.97
0.812
44.18
208.18
2
19.84
0.345
49.95
100.29
3
13.70
0.195
44.40
74.32
4
19.55
0.191
43.07
51.57
5
19.170.174
36.19
61.14
6
11.43
0.39958.69
77.12
7
25.91
0.18636.74
36.63
831.99
0.749
62.02
103.87
9
40.590.363
39.75
69.15
处理
。
综上两方面分析可知
，
处理
9
的各因素水平能够
达到农用植保无人机喷雾作业对雾滴密度
、
雾滴沉积
量
，
以及二者变异系数的要求
。
2.1.2
雾滴粒径分布和相对粒谱宽度在化学防治过程
中
，
由于细小雾滴在作物叶片表面覆盖的密度和均匀
度远优于粗大雾滴
，
而且附着性好
&
不易流失
，因而农
药利用率高
。
由表
3
可知
，
植保无人机喷雾雾滴粒径的
体积中值直径
（
DV.5
）
主要分布在
397.74~668.70
其中
，
处理
6
的
DV.5
最大
，
达
668.70
!
$
；
处理
7
的
!V.5
最小
，
达
397.74
与此同时
，
雾滴体积中值直
2021
年第
1
期
技术设计与试验应用
径较小的还有处理
5
、
处理
9
，
其
DV.
5
的值分别为
405.26
!
$
、
416.15
另一方面
，
相对粒谱宽度为
DV.9
与
DV.1
的差值跟
DV.5
之比
，
是国际上用来衡量
雾滴喷洒效果的常用指标
，
其数值越小越好
，
理想值为
0
,
即占总体积
80%
的雾滴体积相同问
。
由表
3
最后一
列可知
，
9
个处理的植保无人机喷雾雾滴粒径相对粒
谱宽度相差不大
，
都在数值
1
左右变化
。
这表明试验所
用植保无人机喷雾效果并不很理想
，
这也是目前植保
无人机普遍存在的问题
，
这样的结果是飞行参数
、
喷
头
、
作物自身特性等多因素共同造成的
。
2.2
雾滴沉积量和均匀性极差分析
根据上述
9
个处理试验获得沉积量和沉积量均匀
性数据
，
利用
DPS
软件对沉积量及其均匀性进行极差
分析
,
影响二者各因素在不同水平的极差值如表
5
所示
。
2.2.1
雾滴沉积量极差分析从药液喷施质量要求考
察
，
雾滴沉积量越大越好
,
故应选取能使沉积量大的因
素水平
。
根据表
5
中三个作业参数有关沉积量的极差
R
值
，
能获得较大沉积量的各因素较优水平分别为喷
头流量
A
1
、
飞行高度
B
&
、
作业速度
C
i
，
三个作业参数较
佳组合为
A
1
B
2
C
1
。
另外
，
按三个作业参数的极差
R
值
大小顺序
，
影响药液雾滴沉积量多少的主次因素依次
为
C
、
A
、
B
。
产生上述结果的原因
：
首先
，
在其他条件相
同前提下
，
加大喷头流量会使喷头单位时间内喷出的
雾滴数量增加
。
其次
，
雾滴运行速度受雾滴直径大小
&
初始速度的影响
。
通常小雾滴运行速度衰减快
,
大雾滴
衰减慢
，
因而植保无人机飞行速度对小雾滴影响较大
，
但对大雾滴影响不大
。
第三
，
植保无人机飞行高度影响
植株冠层上方垂直风场的强弱
，
若飞行高度太高
，
水稻
植株冠层上方的垂直风场减弱
，
雾滴易受侧风影响发
生飘移
，
从而使雾滴沉积量减少
；
反之
，
无人机与水稻
植株之间形成的较强紊流会造成雾滴的过度流失而影
响雾滴沉积
。
因此
，
只有当喷头流量较大
，
飞行速度较
低
，
以及飞行高度适中时
,
水稻植株冠层才能获得较高
的雾滴沉积量
。
综上分析
,
有较大沉积量且沉积分布比
较均匀的处理有处理
6
、
处理
9
两个处理
。
2.2.2
雾滴沉积均匀性极差分析雾滴沉积均匀性是利
用各雾滴采集点上沉积量的变异系数来描述
，
变异系
数越小则表示雾滴沉积越均匀
，
因而应选取能获得较
小沉积量变异系数的因素水平
。
为此
，
根据表
5
中三个
作业参数有关沉积量均匀性的极差
R
值
，
能获得较小
变异系数的各因素较优水平分别为喷头流量
A
&
、
飞行
高度
B
o
、
作业速度
C
o
,
三个作业参数较佳组合为
A
2
B
3
C
3
；
而影响雾滴沉积变异系数大小的主次因素顺
序为
C
、
A
、
B
。
产生此结果的原因
：
当作业速度较慢和
31
技术设计与试验应用
作业高度较低时
，
植保无人机下方的旋翼风场过强
，
导
处理
1
、
处理
2
的雾滴沉积变异系数
208.18%
#
100.29%
得到充分说明
。
因而需要较高的作业速度
、
高
致其雾滴沉积在水稻冠层的均匀性较差
。
这点从试验
表
5
农药雾滴沉积量和均匀性极差分析
雾滴沉积量
指标
雾滴沉积量均匀性
因素
A
1.35
0.76
因素
B
1.19
1.27
0.96
因素
C
1.96
0.90
0.56
0.65
因素
A
382.79
因素
B
296.38
265.30
因素
C
389.17
221.01
172.09
189.83
209.65
127.60
1.30
220.59
98.79
!
1
!
2
!
3
极差
#
较优水平
0.45
0.40
0.42
0.32
0.10
B2
C
、
A
、
B
129.72
73.67
57.36
72.36
0.26
0.43
0.30
0.19
0.47
63.28
69.88
88.43
73.53
25.26
0.20
A1
64.32
C1
A
2
B3
C
、
A
、
B
C3
主次因素
度和较大的流量
，
才能使雾滴均匀地沉积在水稻冠层
。
些种类喷雾助剂
，
对提高植保无人机喷雾雾滴在作物
冠层上部的沉积量
(
密度
)
和有效沉积率有较为明显作
用
：
7]
。
由于本次试验中未在农药中添加喷雾助剂
，
可能
3
讨论与结论
(
1
)
植保无人机喷雾雾滴在靶标作物上的沉积效
果
，
既是评价其在农田作业效果的重要指标
，
也是决定
病虫害防治能否取得效果的关键因素
。
植保无人机雾
在一定程度上影响了雾滴在采集卡上的沉积数量
。
为
此
，
有必要在下次水稻病虫害防治试验中添加某些种
类农药喷雾助剂
，
进而分析喷雾助剂对改善雾滴沉积
滴沉积效果可用雾滴密度和均匀性
、
雾滴沉积量
、
雾滴
粒径等指标描述
。
影响植保无人机雾滴沉积效果的因
效果
、
提高雾滴沉积量和有效沉积率的作用
。
参考文献
：
[1]
素有很多
，
但在农田实际防治应用过程中
，
其飞行速
度
、
飞行高度
、
喷头流量等作业参数选择是否合理对雾
滴沉积效果具有重要影响
。
因此
，
采用科学方法对植保
无人机喷雾作业参数进行优选是取得良好雾滴沉积效
浙江省统计局
，
国家统计局浙江调查总队
.
浙江统计年
鉴
：
2018[Z]
.
北京
:
中国统计出版社
，
2019.
[2]
果和化学防治效果的前提条件
，
也是推广应用植保无
人机的一项基础工作
。
王艳青
.
近年来中国水稻病虫害发生及趋势分析
[J].
中国
农学通报
，
2006,
22(2)
>343-347.
(
2
)
本文以目前在金华市作业面积较大的浙江东
⑶陈盛德
，
兰玉彬
，
周志艳
，
等
.
小型植保无人机喷雾参数
田科技有限公司的
3WD4-10型多旋翼无人机为对
象
，
结合国内相关研究文献和正交试验设计法
,
对其三
对橘树冠层雾滴沉积分布的影响
[J].
华南农业大学学报
,
2017,
38(5)
>97-102.
个主要作业参数进行优选
。
根据试验雾滴采集卡的数
[4]
唐启义
.
DPS
数据处理系统
：
试验设计
、
统计分析及数据
挖掘
:
M].
2
版
.
北京
：
科学出版社
，
2009
:
238-246.
据处理结果可知
，
处理
9
的因素水平即喷头流量
$
=
3.0
L/min
、
作业高度
％
=2.5
m
、
飞行速度
&
=4.5
m/s
时
，
[5]
Heping
Zhu,
Masoud
Salyani,
Robert
D
Fox.
A
portable
scanning
system
for
evaluation
of
spray
deposit
distribution
[J].
Computer
Electronics
Agriculture,
2011,
76(1):
38-43.
植保无人机的雾滴沉积效果最好
。
同时根据极差分析
可知
，
影响雾滴沉积密度的试验因素主次顺序依次为
作业速度
&
、
飞行高度
％
、
喷头流量
$
，
而影响雾滴沉积
[6]
韩冲冲
,
李飞
,
李保同
，
等
.
无人机喷施雾滴在水稻群体
内的沉积分布及防效研究
[J].
江西农业大学学报
,2019,
41(1)
>58-67.
均匀性的试验因素主次顺序亦是作业速度
&
、
飞行高
度
％、
喷头流量
$
。
(
3
)
如前所述
,
植保无人机喷雾雾滴沉积效果受多
种因素影响
。
据国内外研究文献表明
，
在农药中添加某
32
[7]
何玲
，
王国宾
，
胡韬
,
等
.
喷雾助剂及施液量对植保无人
机喷雾雾滴在水稻冠层沉积分布的影响
[J].
植物保护学
报
，
2017,
44(6)
>1046-1052.
XIANDAI
NONGJI
测知|
11
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