1.引言

目前，国内无人机在卫生虫害防制领域的应用尚处于酝酿阶段，有少量机构引进了无人机，但利用率并不高；仅能零星地见到几例小规模实验应用的报道和初步研究成果。但国外和国内无人机在农林植保领域有较大规模的应用，为卫生虫害防制领域应用无人机提供了大量可资借鉴的经验和数据。

近五年来，中国植保无人机发展迅速。2017年底，农业农村部农技推广中心发布全国在用的植保无人机数量达到1.4万架，年作业面积达到8200多万亩次。植保作业对象几乎覆盖了全部农作物，包括水稻、玉米和小麦等主要粮食作物，以及瓜果蔬菜和各种经济作物，并取得了理想的防治效果和经验。

尽管中国植保无人机发展迅速，但是作业面积不足耕地总面积的3%。从世界范围看，与农林航空较发达国家如美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西、日本、韩国等相比，仍有较大的差距。

美国是农林航空应用技术最成熟的国家。他们的农林航空主要以有人驾驶固定翼飞机为主，在用飞机数量4000架左右，年处理耕地面积占全国总耕地面积的40%以上。其中，水稻植保作业完全采用航空作业方式。

与美国大量采用大型有人驾驶固定翼飞机作业不同，日本的田块面积较小，丘陵山地较多，农林航空经历了从有人驾驶固定翼飞机到无人机的转变。1960至1980年期间，主要采用有人驾驶飞机进行植保作业，但是由于坠机事故以及由农药飘移带来的环境污染等问题日益突出，1987年日本研制出了世界上第一台工业用无人机，并于次年开始限量销售。截至目前，日本已经成为世界上植保无人机应用最先进的国家之一，现阶段共有2346架注册在用的农用无人直升机，飞控手14000余人，防治面积2.5万KM²，占全国耕地总面积的40%以上 。

与日本情况相类似的韩国，于2003年在农林植保领域引进无人机技术，近十余年来发展迅速。现阶段韩国用于农林植保作业的无人机500余架，作业面积占耕地面积的20%左右。

2.可用于卫生虫害防制的无人机技术发展概况

近年来，国内的无人机技术日臻成熟。可以用于卫生虫害防制的无人机，包括动力系统、飞控系统和喷洒系统在内的配套装备与软件控制系统都有了长足的进步。

2.1动力系统

无人机的动力系统为无人机提供动力能源。目前，市面上常见的植保无人机动力系统主要是活塞发动机以及电力动力系统两种类型。油动活塞式植保无人机具有载荷大、抗风、续航能力强等优点，但由于成本较高，整体维护以及操作性较难，在市场上的占有率较低。相比之下，电动无人机则具有成本低，飞行稳定好，操作简单，轻便灵活等优点，市场占有率在80%以上。

2.2 飞控系统

无人机飞控系统为无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程提供控制与决策，被誉为是无人机的大脑。无人机飞控系统主要完成保持无人机在空中的飞行姿态、航迹的稳定性以及飞行状态数据采集、导航计算以及任务设备的控制与管理等工作，主要由硬件传感器以及软件算法构成。在无人机飞控的定位与导航方面，现阶段国内商业化植保无人机主要采用GNSS导航定位为主，部分无人机厂家选配有RTK定位技术，以提高无人机定位的精准性。RTK（Real-timekinematic）全称为实时动态载波相位差分定位技术，基站采用卫星数据后，通过数据链将观测值和站点坐标信息一起传送给移动站，而移动站通过对卫星数据和接收到的数据链进行实时载波相位差分处理，从而达到精确的定位效果

在无人机的航向测定方面，目前一些厂家采用双天线或者组合导航系统，以提高航向精度，同时避免外界磁性物质的干扰。在无人机避障方面，由于农田作业环境复杂，作业时会有电线、树枝或者闯入的各类障碍物，而且飞控手常难以及时判断，因此无人机对障碍物的识别并进行有效回避也是未来植保无人机的必然趋势之一。常见的无人机避障技术包括RTK技术、超声波测距、单目及双目传感器、微波雷达、飞行时差测距等不同类型。有的植保无人机前后及下方安装有高精度毫米波雷达，通过感知作业时的地形变化和高度变化实现仿地飞行，新一代产品融合了原有的定向雷达和避障雷达，将灵敏度提升至感知前方15米处半径0.5cm的横拉电线的水平。针对于复杂的不规则田块，如何实现最佳的航线规划，对于提高无人机的作业效率以及实现精准高效喷洒具有重要作用。利用图形学理论研究不规则农田的识别以及最优航线规划算法的设计，实现了自动规划算法的相应函数模块和应用软件；针对于多架次返航作业情况下，合理分配各架次喷药量和返航点，利用栅格法对工作区域进行划分，对各架次喷药量的分配以及最优返航点进行了优化，并进行仿真与田间试验，结果表明采用路径规划算法提高了植保无人机的作业效率并降低能耗。通过对无人机硬件传感器以及软件控制技术集成，国内的植保无人机飞控系统产品基本处于世界领先地位。

2.3 喷洒系统

植保无人机是一种功能化的无人机，以喷洒农药防治虫害为最终目的。因此，无人机的喷洒系统在无人机的整机结构中具有重要的作用。有的基于旋流雾化原理，采用模块化方法设计出超低容量旋流雾化喷嘴，并对旋流喷嘴内流场流体动力学，以及雾化特性进行数据分析和试验测定，分析了喷嘴结构参数以及流体特性对雾化性能的影响。

与常规喷头对比，静电雾化喷头产生的荷电雾滴可以提高雾滴的穿透性以及在作物叶片表面的粘附性，提高防治效果。因此，也是未来航空喷洒中具有广阔应用前景的喷头之一。有的机构探究电极材料、电机电压、喷施压力和喷孔直径对静电雾化喷嘴效果和和荷电的影响，并对雾滴荷电后的沉积效果进行了雾化沉积试验，结果表明:静电喷嘴能提高雾滴沉积效果，增加有效喷幅，有的对航空静电喷头的设计、感应充电后的电场分布、荷电雾滴的运动轨迹、沉积特性以及靶标粘附性都进行了详尽研究与优化，并设计合理的静电充电装置，保证了雾滴荷电状态。有的设计出六旋翼静电喷洒装置并进行了试验测试，试验结果表明与非静电对比，安装静电装置雾滴沉积密度提高13.6%。

3.无人机与传统喷施作业方式效果对比

国内外的实践均表明，将无人机用于植保作业，从作业效率、不伤作物、减轻对土壤的重复碾压、提高农药有效利用率、减少劳动力等方面来看，其优越性是地面机械无法替代的。

4.无人机在卫生虫害防制领域可实现的其他细分应用

从植保领域的应用情况看，无人机在卫生虫害防制领域可以实现的细分应用，几乎可以涵盖实际作业的各个环节。除了可以直接用于虫害防制喷施，无人机还有其他一些可实现的细分应用。

4.1 辅助编制虫害防制规划

编制外环境虫害防制规划，是实施虫害防制的前提。尤其在大面积虫害发生，或病媒生物导致流行性疾病急性发作之时，在短时间之类编制虫害防制规划显得尤为重要和迫切。然而，查清外环境具体情况，对于采取适宜的防制策略具有至关重要的意义，而无人机在查清外环境详细情况方面具有得天独厚的优势。

近年来飞速发展起来的低空遥感技术，通过在无人机平台上搭载航空数码相机进行航空摄影，从而快速获取地理信息数据。该技术具有灵活的机动，反映迅速，准确度高，可在云下进行摄影，范围大且具宏观性等优势。对于卫生虫害应急事件，无人机能够及时对监测区域采取大范围监测，能够迅速生成监测区域的清晰的图像数据。针对不同飞行高度无人机能够进行大范围、高空间的监测的同时，还能够对较小面积、地空间进行精准监测，影像分辨率的范围在0.1一0.5m。并且，监测区域情况可以利用三维仿模拟技术来进行宏观展示，这些都非常有利于大面积虫害防制规划的编制工作。

4.2 虫害信息监测与评估

对外环境卫生虫害的检测的传统方法，主要是人工感官检测和理化检测。实际上理化检测虽然较为精准，但其操作复杂。传统手段的检测范围多局限于实验室和近地面等围观监测，不适用于大面积虫害数据的获取和监测。

随着遥感技术的发展和在农业等领域的应用，卫生虫害防治领域应用基于无人机的遥感已变得越来越现实。利用地面光谱技术对卫生虫害进行广泛的基础监测和防制效果评估，主要包括两个方面：一是对虫害的生态环境进行检测和评估。通过低空遥感技术手段，获得目标区域的表现害虫栖息、生长、繁殖的相关环境参数，结合当地的气象资料，根据虫害的发生与害虫生态环境的关系，从而推测出虫害发生的程度、趋势和防制效果。二是对害虫活动区域的地表响应进行检测、评估。一般情况下，存在虫害的区域地表反射光谱，与正常区域地表反射光谱有很大的区别。可以通过地表光谱数据，推测出虫害的种类、密度、空间分布等信息。除了光谱信息外，也可以通过获得低空遥感图片，对大面积的虫害进行识别。将机器学习模式识别下的规律，应用到低空遥感图像的虫害的检测识别中。

5.卫生虫害防制领域推广应用无人机技术的基本路径

将无人机技术应用到卫生虫害防制，好像只是把喷施机械变换了一下位置和角度，看上去也没有什么更多特别的地方。实际上，从无人机在植保领域应用的情况看，这是一个全新的系统工程，需要统筹规划基本的路径。

5.1 制定与实施新的标准

无人机在虫害防制领域的应用，涉及作业人员、机械、药剂、空中与地面环境等诸多方面，并且，这些方面与传统作业方法都存在着或多或少的差异。关注这些差异性要求，仅仅靠防制实战经验的积累是远远不够的，更需要从行业宏观层面，从细分标准的角度采取对策措施。无人机在植保领域长时间、大规模的应用实践，为卫生虫害防制领域，在大规模引进无人机之前，就制定出配套的标准，创造了非常好条件。

5.2 研制与改良适用机型与药剂

目前，国内无人机技术发展方兴未艾，各种型号、功能和性能的无人机层出不穷。从动力方面看，有油动、电动和油电混合等多种方式；从升力产生方式方面看，有固定翼和旋翼，旋翼游客分为单旋翼和多旋翼；从喷洒方式方面看，有。所有这些多样化的器械构型，为卫生虫害防治的应用提供了很大的选择空间。然而，任何一种具体的器械构型，有它的长处，也都有它的短处。更何况，卫生虫害防制毕竟是一个特殊领域，其作业场景区别于农林植保作业，对防制时间、空间和效果也都有特殊要求，自然对无人机的机型及其配套设备也就提出了特殊要求。因此，需要根据需要对无人机机器配套喷施设备进行重新研制或改良，不能简单地套用。

应用无人机技术后，药剂的选择就与传统作业方式有许多差异。飞防使用的药液浓度大，要求药剂不仅高效和对地面植物安全，还需要充分考虑其毒性以及环境安全性，药剂成分具有活性高、广谱、低毒、低残留、单位用量少、具有内吸传导性、不易产生药害，要求雾滴在地表表面是点状分布，并且黏附性能好。人机喷施属于精细作业，需要选择能够稀释且不容易堵塞喷头的制剂，并且，在一定时间内不发生分层、析出和沉淀。无人机喷洒作业离开地表有一定的高度，在风的作用下粒径80-400µm的雾滴容易飘失，使用的药剂不仅要选择具有抗挥发和抗飘失的性能，而且，还需要加入专用的飞防助剂。由此可见，那些固态、低含量、有机磷制剂等，均不适合用作飞防药剂。

5.3 培训实用技能型人才

传统的卫生虫害防制技术应用，由于防制器械操作使用相对比较简单，因此，对一线技能人才的要求主要体现在对虫害种类的识别、药物使用和施药技术等方面。而无人机技术的引入和应用，对一线技能人才的要求发生了显著变化。首先，要求能够熟练地操作无人机实施喷施作业。无人机实施虫害防制，都是在贴近起伏不平的地面，且周边环境复杂的场景里，对操作手的技术要求很高，普通人即使会操作一般的消费级无人机，不经过专门的培训，根本无法胜任虫害防制的要求。其次，要求能够掌握基于无人机的虫害防制技术，包括编制防止方案、药剂选择、特殊场景下的喷施计划、应急情况处置等。

5.4 改进运行管理模式

从防制目标角度讲，需要坚持效果、效率、效益、效能的统一。降低防制成本，提高作业效率，这是在虫害防制领域应用无人机技术显而易见的理由。然而，这些还只是标，最根本的是要确保防制效果，预防和控制各类风险，真正做到过程与结果的统一。在农林植保领域应用无人机技术方面，有的飞防队伍片面追求作业效率，盲目提高飞行高度、扩大喷幅，导致漏喷、药液飘移；盲目减少用水量、扩大但航次作业面积，导致防制靶标受药量不足；盲目提高飞行速度，导致防制靶标受药补均匀。对于这些，在卫生虫害防制领域应用无人机技术中，从一开始就需要引以为戒。

从运行管理角度讲，需要实行系统化管理，专业化服务，社会化保障。飞防应用是一个结构严谨的系统，而不是单纯地使用一种防制器械。需要建立严密的组织管理体系，人员各司其职，专业的人做专业的事；运行环节分工与衔接有序，操作流程规范，交叉检查到位；作业组织实现人-机-药-技的深度融合，防止出现单打一。

6.结论

卫生虫害防制领域应用无人机技术具有广阔的前景。这是社会进步、科技发展的必然结果，也是满足民生需要，提高虫害防制综合效益的必由之路。无人机技术的引入，必将给卫生虫害防制标准、管理、人才培养、器械与药剂等多方面提出挑战。研究新情况，解决新问题，迎接新挑战，从而开创新时代虫害防制工作的新局面。

作者：中国航空器拥有者及驾驶员协会副秘书长丁邦昕