-
在各类农林作物的生产过程中，病虫害防治是极其关键的一个环节，直接关系到最后的产量和农民的收入。无人机是当下高精尖技术的集成平台，通过智能化系统和高灵敏度传感器，可以实现预定飞行、定速巡航、高清拍摄等多种功能，是作为农药喷洒自动化载体平台的最佳选择[1]。
无人机喷药作业具有节省劳力、效率高、效果好等特点，相比人工作业具有特别明显的优势。高圆圆[2]等研究发现，小型无人机Af-811在超低容量喷雾时，对小麦吸浆虫的防治效果达86.1%。舒勤静[3]等利用无人机喷药技术在烟叶生产中的应用中，一台无人机一小时可喷洒烟叶面积2.66~5.33 hm2，一天可以喷洒烟叶面积20~40 hm2，人工一小时可喷洒烟叶面积0.06~0.13 hm2，一天可以喷洒烟叶面积0.53~0.66 hm2，无人机喷药是人工喷药效率的几十倍；无人机喷药，烟农可降低人工成本225元·hm−2，可节约农药成本30%以上。无人机喷药技术在农业的推广能很大程度节约水资源，减少对环境的污染，提高工作效率，降低劳动成本，是农业未来的发展方向。如何利用好无人机，在喷药技术上如何最大限度的发挥无人机喷药效果，涉及飞行高度、飞行速度及喷药量等问题。李嘉泓[4]等利用极飞2017P20型植保无人机开展防治葡萄霜霉病飞控参数及防效研究，设置速度3个参数（3 m·s−1，5 m·s−1，7 m·s−1）、喷药量4个参数、喷幅1个参数、飞行高度1个参数，结果表明，在极飞2017P20型无人机参数为v=5 m·s−1、喷量为710 mL时防治效果最佳。但对飞行高度缺乏相关性比较研究，飞行速度设置间距较大。许真珠[5]等利用无人机技术对水稻精准喷药系统研究，无人机距离水稻植株顶端高度为2.5 m，设置3个飞行速度（2 m·s−1，4 m·s−1，6 m·s−1），发现飞行速度为2 m·s−1时的雾滴沉积量与处方图剂量的线性关系较好。但只研究了单因素，未开展多因素相关性研究。利用无人机在葡萄园中进行喷药，细化飞行速度、飞行高度及喷药量等参数，多因素综合研究无人机飞行高度、飞行速度及喷药量对农作物喷药效果的影响，其结果将为不同植物的无人机喷药研究提供更准确的依据和参考。
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植物材料：阳光玫瑰葡萄（Shine-Mus cat L.）
试验地：福建省同安区五显镇葡萄园基地
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仪器设备：六轴16 kg载重的植保无人机一架，安装一条1 m长可拆卸铝合金喷杆，将喷药控制装置安装于云台上，控制喷药量；
基地植株情况：试验用葡萄作物期为果实膨大期，平均株高约1.8 m，行距2.8 m，株距1 m（葡萄园株高、株行距等指标不影响试验参数设置）；
基地环境指标：温度为25℃~30℃，相对湿度46%~50%，风速0.3~0.8 m·s−1。
药剂与雾滴收集卡：采用清水代替药剂进行喷药试验，采用水敏纸进行雾滴采集，水敏纸为5 cm×2 cm；
试验因素：本试验设置3个因素，分别是飞行高度、飞行速度与喷药量。
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无人机喷药后，要在植株上形成雾滴才能被植株吸收，达到喷药效果。而要使雾滴能滴落在植株上，不仅要考虑无人机的飞行速度，还要考虑飞行高度与喷药量的等级等因素。
试验设置飞行高度、飞行速度及喷药量3因素，各设置3水平（见表1）。为减少试验次数，避免数据统计时的重复性与盲目性，根据正交表L9（34）设计正交试验。由于植株较高，喷药不仅要对顶层叶片有效，还得对下层有效，才能达到喷药防治的目的，因而要设置并收集植株上下层试验数据，上层选取180 cm处，下层选取80 cm处。[8-10]
序号
Number飞行高度/m
Flight height /m飞行速度
/（m·s−1）
Flight speed
/m·s−1喷药量等级
/（ml·min−1）
Spraying dose
/ ml·min−1A1 2 1 160 A2 2 1.5 180 A3 2 2 200 A4 2.5 1 180 A5 2.5 1.5 200 A6 2.5 2 160 A7 3 1 200 A8 3 1.5 180 A9 3 2 160 Table 1. Orthogonal test factor design （180 cm in the upper layer / 80 cm in the lower layer）
正交试验因素水平表如下：
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在葡萄园中部区划出一个28 m×23.6 m的矩形地带，内部四周各2.8 m的缓冲区，中间按株距1 m行距2.8 m布设试验区。试验区按短边均分成Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区等3个区组，即3组重复，每个区组设9个小区即9个正交试验处理（见图1）。将该地带按图1标识用竹竿围起，将彩色布条系在竹竿上，做好标记。3个区组内葡萄共4×9×3=108株，用回形针将水敏纸固定于葡萄叶片上，一株葡萄上下层分别固定2张，共4张/株，总计108×4=432张。
Figure 1. Schematic diagram of sample plots
利用随机数表法[11]，保证试验区3个区组每组的9个正交试验处理“随机化”分布，从而降低试验植株因两侧与中间生长差异，影响试验的代表性。在随机数表（见表2）中，随机选取3组数据，如16行10列起：26，13，89，51，03，74，56，… 依次选取不重复的1-9数字为：261389574；再选5行6列起：385426197；6行4列起：943582176。将每个区组9个小区依据编号次序排列，9个正交处理A1至A9依据随机数字排列，得到3个区组9个小区的随机区组试验设计安排（见表3）。
行列 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 03 47 43 73 86 36 96 47 36 61 46 99 69 81 62 … 4 12 56 85 99 26 96 96 68 27 31 05 03 72 93 15 5 55 59 56 35 64 38 54 82 46 22 31 62 43 09 90 6 16 22 77 94 39 49 54 43 54 82 17 37 93 23 78 7 84 42 17 53 31 57 24 55 06 88 77 04 74 47 67 … 15 37 85 94 35 12 83 39 50 08 30 42 34 07 96 88 16 70 29 17 12 13 40 33 20 38 26 13 89 51 03 74 17 56 62 18 37 35 96 83 50 87 75 97 12 25 93 47 … … Table 2. Table of random numbers
小区
Block1 2 3 4 5 6 7 8 9 区组Ⅰ
Block I处理Treatment A2 A6 A1 A3 A8 A9 A5 A7 A4 区组Ⅱ
Block II处理Treatment A3 A8 A5 A4 A2 A6 A1 A9 A7 区组Ⅲ
Block III处理Treatment A9 A4 A3 A5 A8 A2 A1 A7 A6 注：区组随机数字：261389574；385426197；943582176 Table 3. Randomly arranged table in randomized block design
按照正交试验方案，设置好喷药量、药剂（清水），调整好飞行高度、飞行速度，让无人机在缓冲区上方悬飞，稳定平衡后准确飞入试验Ⅰ区第1小区，呈“n”字形匀速水平飞行一个来回后飞回缓冲区，沿缓冲区依次飞至试验Ⅱ区第5小区、Ⅲ区第6小区对应缓冲区域悬飞，调整后按“n”字形匀速水平飞行一个来回后返回。调整喷药量，补充药剂（清水），调整飞行高度、飞行速度，按第二个处理进行试验，如此开展9次试验。
-
以雾滴沉积密度为指标。雾滴沉积密度可以反映喷药效果，雾滴沉积密度越大，喷药效果越好，反之则喷药效果不好。
-
待9次飞行结束，按区组、小区与上下层，将水敏纸做好标记并收集，要避免水敏纸受潮，将其带回实验室进行数据分析[12-14]。
-
利用扫描仪将带回的水敏纸依次扫描，扫描后的图像用软件Deposit Scan分析，记录432张水敏纸测到的雾滴沉积密度。每个小区上、下层各8张平均值为该小区该层平均值，三个区组同一处理的3个小区平均值为本试验该处理该层雾滴沉积密度。
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根据正交试验设计，3因素3水平开展试验，按区组对9个处理进行3次重复，最终3个区组上、下两层对应各小区雾滴沉积密度试验结果，计算出各处理雾滴沉积密度平均值，将正交试验的结果进行极差分析，Ki表示某个因素第i水平所对应的雾滴沉积密度的平均值之和，得出该因素的极差R值。
-
三因素方差分析对异常值非常敏感，若数据存在异常值，将扭曲各处理之间的差异，还会影响结果的外推性，因而要做异常值检验分析。以数据箱式图判断是否有超过1.5倍箱身长度的离群值存在，即数据中有无异常值。
-
三因素交互作用是指两因素交互作用在另一因素的不同水平对因变量的影响不同。进行三因素方差分析的主要目的是判断是否存在三因素交互作用。如有三因素交互作用，则根据极差分析，确定某一因素是影响喷药效果的主要因素，则研究在该因素不同水平下，另两个因素对雾滴沉积密度的影响。
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在提供自变量之间交互作用直观分析的基础上，为进一步确定这些样本结果是否可以代表总体，即图形结果是否会受到抽样误差的影响。因此，进行了统计检验分析。
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采用软件Excel 2003和SPSS 22.0进行数据统计分析。
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根据上、下两层对应各小区雾滴沉积密度试验结果（见表4和表5），比较同一处理的上层雾滴沉积密度与下层雾滴沉积密度，可以发现，上层雾滴沉积密度明显大于下层，说明喷药后，植株上层部位将得到更好的药效作用。
序号
Number飞行高度/m
Flight height /m飞行速度
/（m·s−1）
Flight speed
/ m·s−1喷药量等级
/（ml·min−1）
Spraying dose
/ ml·min−1Ⅰ区雾滴沉积密度
/（个·cm−2）
Droplet deposition
density in Block I
/个·cm−2Ⅱ区雾滴沉积密度
/（个·cm−2）
Droplet deposition
density in Block II
/个·cm−2Ⅲ区雾滴沉积密度
/（个·cm−2）
Droplet deposition
density in Block III
/个·cm−2雾滴沉积密度平均值
/（个·cm−2）
Average droplet
deposition density
/个·cm−2A1 2 1 160 97.4 94.5 96.1 96 A2 2 1.5 180 79.1 81.3 82.6 81 A3 2 2 200 78.7 79.2 79.1 79 A4 2.5 1 180 108.6 114.4 110 111 A5 2.5 1.5 200 107.3 108.8 107.9 108 A6 2.5 2 160 74.9 87.6 77.5 80 A7 3 1 200 113.3 104.7 112 110 A8 3 1.5 180 71.4 75.2 75.4 74 A9 3 2 160 47.9 50.1 52 50 K1 256 317 226 K2 299 263 266 K3 234 209 297 R 65 108 71 Table 4. Testing results and range analysis table of the upper layer （80cm）
序号
Number飞行高度/m
Flight height /m飞行速度
/（m·s−1）
Flight speed
/ m·s−1喷药量等级
/（ml·min−1）
Spraying dose
/ ml·min−1Ⅰ区雾滴沉积密度
/（个·cm−2）
Droplet deposition
density in Block I
/个·cm−2Ⅱ区雾滴沉积密度
/（个·cm−2）
Droplet deposition
density in Block II
/个·cm−2Ⅲ区雾滴沉积密度
/（个·cm−2）
Droplet deposition
density in Block III
/个·cm−2雾滴沉积密度平均值
/（个·cm−2）
Average droplet
deposition density /
个·cm−2A1 2 1 160 84 81.8 83.2 83 A2 2 1.5 180 66.3 63.8 55.9 62 A3 2 2 200 64.7 62.1 47.2 58 A4 2.5 1 180 112 106.7 105.3 108 A5 2.5 1.5 200 109.8 105 76.2 97 A6 2.5 2 160 84 80.3 69.7 78 A7 3 1 200 100.6 98.8 82.6 94 A8 3 1.5 180 51.8 55.3 57.9 55 A9 3 2 160 42.4 36 38.6 39 K1 203 285 200 K2 283 214 225 K3 188 175 249 R 95 110 49 Table 5. Testing results and range analysis table of the lower layer （180cm）
根据表4极差分析可以看出，利用无人机喷药时，影响植株上层雾滴沉积密度的主要因素是飞行速度，按主次顺序排：飞行速度>喷药量>飞行高度。
根据表5极差分析可以看出，利用无人机喷药时，影响植株下层雾滴沉积密度的主要因素也是飞行速度，按主次顺序排：飞行速度>飞行高度>喷药量。
根据极差分析，说明飞行速度是影响喷药效果的主要因素，飞行高度对下层喷药效果影响较上层更明显，而喷药量对上层喷药效果比下层更好。因而，以飞行速度为另一因素，研究在不同飞行速度下，飞行高度与喷药量对雾滴沉积密度的影响。
-
根据上、下层各9张箱式图（见图2），可以看出，A1至A9 9个处理均无距离箱子边缘超过1.5倍箱身长度的离群值存在，即数据中无异常值。
Figure 2. Data box diagram of A1 treeatment
采用Shapiro-Wilk检验数据正态性，结果见表6。可见，Shapiro-Wilk检验的上层180 cm与下层80 cm处P值均大于0.05，数据服从正态分布。
飞行高度
（m）
Flight height
（m）飞行速度
（m·s−1）
Flight speed
（m·s−1）喷药量等级
（mL·min−1）
Spraying dose
（mL·min−1）Shapiro-Wilk（180 cm） Shapiro-Wilk（80 cm） 统计量
Statistics自由度
FreedomP 统计量
Statistics自由度
FreedomP 2.00 1.00 160.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.996 3 0.886 0.976 3 0.702 1.50 180.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.978 3 0.719 0.918 3 0.444 2.00 200.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.893 3 0.363 0.859 3 0.264 2.50 1.00 180.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.918 3 0.446 0.899 3 0.381 1.50 200.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.987 3 0.780 0.855 3 0.253 2.00 160.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.896 3 0.372 0.928 3 0.481 3.00 1.00 200.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.860 3 0.269 0.824 3 0.174 1.50 180.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.787 3 0.085 0.993 3 0.838 2.00 160.00 雾滴沉积密度Droplet deposition density 0.998 3 0.919 0.988 3 0.794 Table 6. Normality test of the upper/lower data （180 cm or 80 cm）
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如图3、图4所示，在飞行速度为1 m·s−1或1.5 m·s−1，喷药量等级为160 mL·min−1、180 mL·min−1、200 mL·min−1时，雾滴沉积密度随飞行高度的变化曲线不平行，也就是喷药量与飞行高度交互作用存在；在飞行速度为1 m·s−1或1.5 m·s−1，飞行高度为2 m、2.5 m、3 m时，雾滴沉积密度随喷药量的变化曲线也不平行，也就是飞行高度与喷药量交互作用存在；所以在飞行速度为1 m·s−1或1.5 m·s−1，飞行高度与喷药量较佳组合是飞行高度2.5 m，喷药量200 mL·min−1。
Figure 3. Two-dimension line drawing of Flight height ×Spraying dose × Flight speed （speed=1 m·s−1，1.5 m·s−1，2 m·s−1）
Figure 4. Two-dimension line graph of Spraying dose × Flight height × Flight speed （speed=1 m·s−1，1.5 m·s−1，2 m·s−1）
如上图所示，在飞行速度为2 m·s−1，喷药量等级为160 mL·min−1、180 mL·min−1、200 mL·min−1时，雾滴沉积密度随飞行高度的变化曲线平行，说明喷药量与飞行高度无统计学意义。所以飞行速度达到2 m·s−1时，飞行速度才是主要因素。
然而，如图3、图4所示，飞行高度与喷药量交互作用的形式在飞行速度为1 m·s−1与1.5 m·s−1是不同的，说明交互项飞行高度与喷药量在飞行速度的不同水平对雾滴沉积密度的影响不同。
因直观分析，得出在飞行速度为1 m·s−1或1.5 m·s−1时，飞行高度与喷药量较佳组合是飞行高度2.5 m，喷药量200 mL·min−1，所以分别以飞行高度与喷药量为因素，分别研究在飞行高度2.5 m与喷药量200 mL·min−1时，其他两因素对因变量（雾滴沉积密度）的影响。
以飞行高度为因素，当飞行高度为2.5 m时，飞行速度与喷药量对雾滴沉积密度的影响可见图5；以喷药量等级为因素，当喷药量等级为200 mL·min−1时，飞行速度与飞行高度对雾滴沉积密度的影响可见图6。
Figure 5. Two-dimension line graph of Flight speed×Spraying dose × Flight height （high=2.5 m）
Figure 6. Two-dimension line graph of Flight speed×Flight height× Spraying dose （dose=200 ml·min−1）
由图5、图6可知，在飞行高度为2.5 m时，飞行速度与喷药量较佳组合是飞行速度1 m·s−1，喷药量200 mL·min−1；在喷药量等级为200 mL·min−1时，飞行速度与飞行高度较佳组合是飞行速度1 m·s−1，飞行高度2.5 m。
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对飞行速度、飞行高度、喷药量等级3因素进行统计检验（见表7）。由表7可知，在speed × high ×dose行（即飞行速度×飞行高度×喷药量等级），由于显著性水平小于0.05，所以三因素的交互作用具有统计学意义，F（8, 27）=3.259，P=0.010。
来源
Source第 III 类平方和
Type III sum of squares自由度
Freedom平均值平方
Square of the mean valueF值 P 飞行速度×飞行高度×喷药量等级
Flight speed ×Flight height × Spraying dose107.683 8 13.460 3.259 0.010 误差 Error 111.531 27 4.131 注：因变量: 雾滴沉积密度 Table 7. Statistical test among three factors
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由于三因素交互作用有意义，即其中两个自变量的交互作用在第三个因变量的不同水平对因变量的影响不同。所以可逐一进行简单两因素交互作用分析。仅以飞行速度的不同水平，分析高度与喷药量是否对雾滴沉积密度有影响。通过SPSS分析，结果见表8。
因变量: 雾滴沉积密度 飞行速度（m·s−1）
Flight speed （m·s−1）平方和
Sum of squares自由度
Freedom平均值平方
Square of the mean valueF值 P 1.00 对比 Contrast 53.862 4 13.466 3.260 0.026 误差 Error 111.531a 27a 4.131 1.50 对比度 Contrast 68.052 4 17.013 4.119 0.010 误差 Error 111.531a 27a 4.131 2.00 对比度 Contrast 14.204 4 3.551 0.860 0.501 误差 Error 111.531a 27a 4.131 a. 根据表中误差值指定 Table 8. Test table of two-factor interaction
如表8所示，由于飞行速度为1 m·s−1与1.5 m·s−1时，0.01≤P<0.05（采用Bonferroni 法校正），说明在飞行速度为1 m·s−1时，飞行高度与喷药量有简单两因素交互作用，F（4, 27）=3.260，P=0.026；飞行速度为1.5 m·s−1时，飞行高度与喷药量也有简单两因素交互作用，F（4, 27）=4.119，P=0.010；而在速度为2 m·s−1时，P>0.05，高度与剂量无简单两因素交互作用，F（4, 27）=0.860，P=0.501。进一步验证直观分析结论的可靠性。
-
（1）利用无人机喷药时，植株上层部位将得到更好的药效作用。影响植株上层雾滴沉积密度的主要因素是飞行速度，按主次顺序排：飞行速度>喷药量>飞行高度；影响植株下层雾滴沉积密度的主要因素也是飞行速度，按主次顺序排：飞行速度>飞行高度>喷药量。说明飞行速度是影响喷药效果的主要因素，飞行高度对下层喷药效果影响较上层更明显，而喷药量对上层喷药效果比下层更好。
（2）通过箱式图判断，A1至A9 9个处理均无离群值存在，即数据中无异常值。经Shapiro-Wilk检验，9个处理的P值均大于0.05，数据均服从正态分布。经直观结果分析，在飞行速度为1 m·s−1或1.5 m·s−1时，喷药量与飞行高度交互作用存在，且飞行高度与喷药量较佳组合是飞行高度2.5 m，喷药量200 mL·min−1。在飞行速度为2 m·s−1，喷药量与飞行高度无统计学意义。说明在飞行速度达到2 m·s−1时，飞行速度才是主要因素。在飞行高度为2.5 m时，飞行速度与喷药量较佳组合是飞行速度1 m·s−1，喷药量200 mL·min−1；在喷药量等级为200 mL·min−1时，飞行速度与飞行高度较佳组合是飞行速度1 m·s−1，飞行高度2.5 m。
（3）经三因素交互作用分析，飞行速度、飞行高度、喷药量等级3因素对雾滴沉积密度的影响上存在三因素交互作用，F（8, 27）=3.259，P=0.010。简单两因素交互作用分析，在飞行速度为1 m·s−1与1.5 m·s−1时，飞行高度与喷药量的简单两因素交互作用存在。而在速度为2 m·s−1时，P>0.05，高度与剂量无简单两因素交互作用。
综合以上结论，可得：无人机飞行速度、飞行高度、喷药量等级3因素对喷药效果存在三因素交互作用，同时，要实现无人机喷药效果较佳，较佳组合为：飞行高度2.5 m，飞行速度1 m·s−1，喷药量等级为200 mL·min−1。
Analysis on the Spraying Effect of UAV Flight Height, Flight Speed and Spraying Dose on Trellis-type Vineyard
doi: 10.12172/202112100001
- Received Date: 2021-12-10
- Available Online: 2022-07-21
-
Key words:
- Unmanned aerial vehicle （UAV） /
- Spraying effect /
- Flight height /
- Flight speed /
- Spraying dose
Abstract: In this paper, the unmanned aerial vehicle （UAV） was used to spray pesticide on trellis-type vineyard. Taking the droplet deposition density as an index, the effects of UAVflight height, flight speed and spraying dose on the spraying effect were studied by orthogonal test design. Through the analysis of three interactive factors, it was concluded that flight speed, flight height and spraying amount had interactive effects on the spraying effect. At the same time, when the flying height was 2.5m, the flying speed was 1m/s, the spraying dose was 200ml/min, the spraying effect was better.
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