Use of UAVs in Vineyards: Effects of Flight Parameters on Pesticide Distribution

Year 2025, Volume: 21 Issue: 1, 1 - 17, 29.04.2025

Hasan Berk Özyurt , İlker Hüseyin Çelen , Mehmet Efnan Koyunlu

Abstract

In areas where pesticide applications with conventional agricultural mechanisation tools are difficult, time and financial costly or impossible, it is possible to make these applications with agricultural unmanned aerial vehicles. However, the most important of the difficulties brought along by this technology is the decrease in the uniformity of pesticide distribution due to the low spray norm, high flight, and the drag effect of the downward air flow created by the propellers on the drops in applications made with agricultural unmanned aerial vehicles compared to conventional applications. This unevenness leads to insufficient pesticide accumulation on the target surface and decrease in pesticide efficacy. In vineyards, in order for the uniformity of drop distribution to be high, the accumulation of drops should be uniform on the lower leaves of the vertebrae. In order to carry out these controls with agricultural unmanned aerial vehicles, it is essential to determine the most suitable flight and application parameters with the aim of good distribution uniformity. In order to have a high uniformity of droplet distribution in vineyards, the droplet accumulation on the lower leaves of the vertebrae should also be uniform. In this study, in order to determine the most suitable flight parameters for high droplet uniformity in vineyards, it was aimed to determine the droplet distribution uniformity on the shoulder blades in vineyards by flying with different flight direction and different droplet sizes. The experiments were carried out in Papazkarası wine grape plots of Tekirdağ Viticulture Research Institute. Flights were made with 3 different droplet sizes (100,300,500 microns) with 3 different droplet sizes (100,300,500 microns) and 2 different progress directions (parallel to the row, perpendicular to the row) with 3 m height and 3.5 m / s speed and 4 L / da spray norm in 3 replicates with an agricultural unmanned aerial vehicle with a DJI brand T40 model, 40 litre tank capacity and disc nozzles on it. In order to measure the droplet distribution, water-sensitive papers were hung on the upper, middle and lower leaves of a shoulder in triplicate. After the flights, the water-sensitive papers were collected and placed in airtight and moisture-proof containers, then transferred to the computer environment with the help of a scanner and analysed with DepositScan software. Average droplet diameters, coverage percentage and droplet density values were measured and the flight parameters with the highest droplet distribution uniformity were determined. According to the results obtained, as the average droplet diameter increased, droplet density decreased. Similarly, the accumulation on the lower leaves also decreased. The percentage of coverage at 100 and 300 micron droplet diameter in the flight direction parallel to the row was higher than in the flight direction perpendicular to the row. The highest droplet distribution was obtained in the treatment with a droplet diameter of 100 microns and in the direction parallel to the row. This can be explained by the fact that with the downward air flow created by the unmanned aerial vehicle, light droplets can be better distributed on the lower leaves and in the horizontal direction.

Keywords

Droplet , Pesticide , Unmanned aerial vehicle , Vineyard , Drone

Ethical Statement

-

Supporting Institution

-

Thanks

-

Üzüm Bağlarında İHA Kullanımı: Uçuş Parametrelerinin Pestisit Dağılımına Etkileri

Abstract

Konvensiyonel tarımsal mekanizasyon araçları ile pestisit uygulamalarının zor, zaman ve maddi maliyeti yüksek veya imkânsız olduğu arazilerde bu uygulamaları zirai insansız hava araçları ile yapmak mümkündür. Ancak bu teknolojinin beraberinde getirdiği zorluklardan en önemlisi, zirai insansız hava araçları ile yapılan uygulamalarda konvensiyonel uygulamalara göre düşük püskürtme normu, yüksekten uçuş, pervanelerin yarattığı aşağı yönlü hava akımının damlalardaki sürüklenme etkisiyle beraber ilaç dağılım düzgünlüğünün azalmasıdır. Bu düzgünsüzlük de hedef yüzey üzerinde yeteri kadar pestisit birikiminin olmamasına ve pestisit etkinliğinin düşmesine yol açmaktadır. Üzüm bağlarında da damla dağılım düzgünlüğünün yüksek olması için, omcaların alt yapraklarında da damla birikiminin düzgün olması gerekmektedir. Bu çalışmada da, üzüm bağlarında yüksek damla düzgünlüğü için en uygun uçuş parametrelerinin belirlenmesi için farklı uçuş yönü ve farklı damlacık boyutları ile uçuş yapılarak, üzüm bağlarında asmalar üzerindeki damla dağılım düzgünlüğünün belirlenmesi amaçlanmıştır. Denemeler Tekirdağ Bağcılık Araştırma Enstitüsü’ne ait Papazkarası şaraplık üzüm parsellerinde yürütülmüştür. DJI marka T40 model, 40 litre tank kapasitesine sahip, üzerinde disk memeler bulunan zirai insansız hava aracı ile üç farklı damlacık boyutuyla (100,300,500 µm) ve ikifarklı ilerleme yönüyle (sıraya paralel, sıraya dik) üç tekerrürlü olarak 3 m yükseklik ve 3.5 m/s hız ve 0,4 L/ha püskürtme normu ile uçuşlar yapılmıştır. Damla dağılımını ölçmek amacıyla bir omca üzerine üst, orta ve alt yapraklara üçer tekerrürlü olarak suya duyarlı kağıtlar asılmıştır. Uçuşlardan sonra suya duyarlı kağıtlar toplanıp hava ve nem geçirmez kaplara konulmuş, daha sonra tarayıcı yardımı ile bilgisayar ortamına aktarılarak DepositScan yazılımında damla analizi yapılmıştır. Ortalama damla çapları, kaplama yüzdesi, damla yoğunluğu değerleri ölçülerek en yüksek damla dağılım düzgünlüğünün hangi uçuş parametrelerinde elde edildiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre ortalama damla çapları büyüdükçe, damla yoğunluğu azalmıştır. Benzer şekilde alt yapraklardaki birikim de azalış göstermiştir. Sıraya paralel uçuş yönünde 100 ve 300 µm damla çapında kaplama yüzdesi, sıraya dik uçuş yönüne göre daha yüksek ölçülmüştür. En yüksek damla dağılımı 100 µm damla çapında ve sıraya paralel ilerleme yönünde yapılan uygulamada elde edilmiştir. Bu durum insansız hava aracının yarattığı aşağı yönlü hava akımıyla, hafif damlacıkların alt yapraklara ve yatay yönde daha iyi dağılabileceği ile açıklanabilir.

Keywords

pestisit , dron , Damla , İnsansız hava aracı , Üzüm bağı

Ethical Statement

Etik beyana gerek yok

Supporting Institution

-

Thanks

-

References

• Anonim. (2024). DJI Agras T40 specifications. DJI. https://www.dji.com/global/t40/specs
• Anonim. (2021). Bağ hastalıkları ve mücadele yöntemleri. Bayer Crop Science. https://www.cropscience.bayer.com.tr/turkiye/tarim-haberleri/bag-hastaliklari-mucadele.html
• Beyaz, A., Dağtekin, M., Çilingir, I., & Gerdan, D. (2017). Evaluation of droplet size spectra for agricultural pesticide applications using water sensitive paper and image analysis techniques. Fresenius Environmental Bulletin, 26(12A), 102–108.
• Biglia, A., Comba, L., Alcatrão, L. E., Sopegno, A., Messina, C., Mozzanini, E., Bloise, N., Guglieri, G., & Grella, M. (2023). Comparison between 60° and 30° hollow cone nozzles for targeted UAV-spray applications in vineyards. In Precision agriculture’23 (pp. 67–73). Wageningen Academic Publishers.
• Biglia, A., Grella, M., Bloise, N., Comba, L., Mozzanini, E., Sopegno, A., Pittarello, M., Dicembrini, E., Alcatrão, L. E., Guglieri, G., Balsari, P., Ricauda Aimonino, D., & Gay, P. (2022). UAV-spray application in vineyards: Flight modes and spray system adjustment effects on canopy deposit, coverage, and off-target losses. Science of the Total Environment, 845, 157292.
• Chen, P., Ouyang, F., Zhang, Y., & Lan, Y. (2022). Preliminary evaluation of spraying quality of multi-unmanned aerial vehicle (UAV) close formation spraying. Agriculture, 12(8), 1149.
• Deliorman, O. D., Ergun, F., & Orhan, N. (2011). Anadolu medeniyetlerinde asma (Vitis vinifera L.). Tarih Araştırmaları Dergisi, 30(50), 69–80.
• Foreign Agricultural Service. (2023). Coffee: World markets and trade. U.S. Department of Agriculture. https://fas.usda.gov/data/production/commodity/0575100
• Gong, J., Fan, W., & Peng, J. (2019). Application analysis of hydraulic nozzle and rotary atomization sprayer on plant protection UAV. International Journal of Precision Agricultural Aviation, 2(1).
• He, X. (2018). Rapid development of unmanned aerial vehicles (UAV) for plant protection and application technology in China. Outlooks on Pest Management, 29(4), 162–167.
• International Organisation of Vine and Wine. (2024, April). State of the world vine and wine sector in 2023. https://www.oiv.int/sites/default/files/202404/OIV_STATE_OF_THE_WORLD_VINE_AND_WINE_SECTOR_IN_2023.pdf
• Lorenz, D. H., Eichhorn, K. W., Bleiholder, H., Klose, R., Meier, U., & Weber, E. (1995). Growth stages of the grapevine: Phenological growth stages of the grapevine (Vitis vinifera L. ssp. vinifera)—Codes and descriptions according to the extended BBCH scale. Australian Journal of Grape and Wine Research, 1(2), 100–103.
• Mahmood, H. S., Iqbal, M., Hussain, K. A., & Hamid, T. (2004). Improved surface coverage with environmentally effective university boom sprayer. Pakistan Journal of Agricultural Sciences, 41(3/4), 152.
• Meng, Y., Su, J., Song, J., Chen, W. H., & Lan, Y. (2020). Experimental evaluation of UAV spraying for peach trees of different shapes: Effects of operational parameters on droplet distribution. Computers and Electronics in Agriculture, 170, 105282.
• Morales-Rodríguez, P. A., Cano Cano, E., Villena, J., & López-Perales, J. A. (2022). A comparison between conventional sprayers and new UAV sprayers: A study case of vineyards and olives in Extremadura (Spain). Agronomy, 12, 1307. https://doi.org/10.3390/agronomy12061307
• Önler, E., Özyurt, H. B., Şener, M., Arat, S., Eker, B., & Çelen, İ. H. (2023). Spray characterization of an unmanned aerial vehicle for agricultural spraying. The Philippine Agricultural Scientist, 106(1), 39–46.
• Özyurt, H. B., & Çelen, İ. H. (2022). İnsansız hava araçları ile yapılan pestisit uygulamalarında farklı meme tiplerinin damla dağılımına etkisinin incelenmesi. Tarım Makinaları Bilimi Dergisi, 18(3), 157–172.
• Özyurt, H. B., & Çelen, İ. H. (2023, September). Effect of different flight parameters on spraying efficacy in pesticide applications with unmanned aerial vehicle in sunflower. In AGRIBALKAN 2023 V. Balkan Agricultural Congress (p. 231).
• Sassu, A., Psiroukis, V., Bettucci, F., Ghiani, L., Fountas, S., & Gambella, F. (2024). Unmanned aerial system plant protection products spraying performance evaluation on a vineyard. Precision Agriculture, 25(4), 2082–2112. https://doi.org/10.1007/s11119-024-10155-8
• Sayıncı, B. (2020). Pülverizatör memelerinde pülverizasyon karakteristiklerinin görüntü işleme yöntemiyle belirlenmesi. Turkish Journal of Agricultural Engineering Research, 1(1), 44–62.
• Sedlar, A. D., Bugarin, R. M., Nuyttens, D., Turan, J. J., Zoranovic, M. S., Ponjican, O. O., & Janic, T. V. (2013). Quality and efficiency of apple orchard protection affected by sprayer type and application rate. Spanish Journal of Agricultural Research, 11(4), 935–944.
• StatAgri. (2023). Üzüm istatistikleri. https://www.statagri.com/uzum-istatistikleri/ Türkiye İstatistik Kurumu. (2023). Tarımsal alet ve makine sayıları. https://data.tuik.gov.tr/Kategori/GetKategori?p=tarim-111&dil=1
• Wang, C., Liu, Y., Zhang, Z., Han, L., Li, Y., Zhang, H., Yangfan, L., Zhang, H., Wongsuk, S., Li, Y., Wu, X., & He, X. (2022). Spray performance evaluation of a six‐rotor unmanned aerial vehicle sprayer for pesticide application using an orchard operation mode in apple orchards. Pest Management Science, 78(6), 2449–2466.
• Wang, C., Herbst, A., Zeng, A., Wongsuk, S., Qiao, B., Qi, P., ... & He, X. (2021). Assessment of spray deposition, drift and mass balance from unmanned aerial vehicle sprayer using an artificial vineyard. Science of the Total Environment, 777, 146181.
• Zhu, H., Salyani, M., & Fox, R. D. (2011). A portable scanning system for evaluation of spray deposit distribution. Computers and Electronics in Agriculture, 76(1), 38–43.