無人機在精準農(nóng)業(yè)中的關鍵技術及應用

孫鐵波

(江蘇食品藥品職業(yè)技術學院，江蘇 淮安 223000)

0 引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無人機發(fā)揮出了不俗的效果，基于無人機構建的全新作業(yè)體系展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，自動化水平的提升不僅有效降低了農(nóng)民的勞動量，同時也提高了農(nóng)藥噴灑、植物保護等方面工作的效果。無人機為農(nóng)業(yè)的精準化和智能化發(fā)展提供了極大的助力，也為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提升做出了巨大的貢獻。

1 農(nóng)用無人機技術概述

1.1 農(nóng)用無人機的功能介紹

無人機是一種能夠通過遠程控制實現(xiàn)無人駕駛的飛行器，在農(nóng)業(yè)領域，通過程序編寫配合無線電遙控可以幫助農(nóng)民完成一些生產(chǎn)任務。目前，無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的功能主要包括兩大類，分別是信息獲取以及農(nóng)事操作。

信息獲取是指利用無人機對田地中農(nóng)作物的生長狀況、土壤條件、病蟲害信息等進行采集，為生產(chǎn)決策提供參考依據(jù)。

農(nóng)事操作是指利用無人機代替人工完成各項農(nóng)事作業(yè)活動，這種方式可以有效地提高作業(yè)效率、質(zhì)量，非常適合農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)模式。而且無人機上設置的智能設備可以實現(xiàn)對農(nóng)田信息的實時采集，使生產(chǎn)管理者可以針對實際情況作出有效的調(diào)整應對，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)。

1.2 無人機在精準農(nóng)業(yè)中的主要應用領域

在精準農(nóng)業(yè)中，無人機的應用領域主要包括4個方面：

首先，對農(nóng)作物進行監(jiān)測，為施肥提供資料依據(jù)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施肥是保障農(nóng)作物產(chǎn)量不可缺少的工作，肥料能夠為農(nóng)作物提供其生長所需的各類養(yǎng)分，使其能夠進行正常的代謝。如何在最精準的時機施以足量的肥料一直以來都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個關鍵性問題，因此在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中經(jīng)常會出現(xiàn)施肥過量或是不足的問題。而裝置了圖像采集設備的無人機則可以對農(nóng)作物的生長信息進行采集，幫助生產(chǎn)者及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物群體所表現(xiàn)出的異常狀況，通過數(shù)據(jù)庫分析確定農(nóng)作物缺少的營養(yǎng)元素，之后準時、準確地進行精準施肥。

其次，對土壤狀況進行監(jiān)測，為灌溉提供資料依據(jù)。水分同樣是農(nóng)作物不可缺少的物質(zhì)，土壤中水分含量是否適當影響著農(nóng)作物的生長。生產(chǎn)者需要根據(jù)土壤的濕度情況以及農(nóng)作物的習性，進行適當?shù)墓喔裙ぷ?，因此對土壤水分的監(jiān)測就顯得至關重要，這項工作可以幫助生產(chǎn)者了解農(nóng)作物是否存在缺水現(xiàn)象，需水量為多少，并在此基礎上選擇合理的灌溉方式，提高水分利用率。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的土壤濕度監(jiān)測方法，無人機監(jiān)測在范圍、精確度以及時效性方面都具有顯著的優(yōu)勢。具體是通過裝載在機身上的可見光近紅外光設備，對土壤圖像進行對比分析獲得土壤的濕度信息，根據(jù)該信息采用科學的灌溉方式。

再次，應用于病蟲草害防治。無人機還可以對農(nóng)田中存在的病蟲草害進行監(jiān)測，現(xiàn)代化遙感技術以航拍的方式可以實現(xiàn)對大面積農(nóng)田的有效覆蓋，獲得清晰全面的攝像資料，為農(nóng)作物生長環(huán)境進行分析，及時發(fā)現(xiàn)病蟲草害狀況，針對性地采取管理措施。例如，江蘇省農(nóng)科院和南京理工大學合作開發(fā)的微型無人機搭載特殊光譜分析儀，可以基于農(nóng)作物葉片光譜發(fā)射率，對其是否患病以及患病的類型做出精準的判斷，進而采取相應的藥物治療措施。為了配合這一方案的實施，還建立了一個特殊的農(nóng)作物病蟲害光譜庫，通過簡單的數(shù)據(jù)對比就可以快速確定農(nóng)作物出現(xiàn)病蟲害情況。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的監(jiān)測設備，無人機監(jiān)測的范圍更大，不僅實現(xiàn)了實時監(jiān)測，而且基本上不受天氣因素的影響，有效地滿足了精準農(nóng)業(yè)對病蟲草害防治的需求。

最后，應用于植物保護?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植保是確保農(nóng)作物產(chǎn)量的重要舉措，而傳統(tǒng)的人工和半機械化的方式已經(jīng)無法滿足當前的需求，勞動強度大、作業(yè)效率低、農(nóng)藥浪費、危害作業(yè)人員健康等弊端逐漸顯露出來。而無人機植保作業(yè)方式的出現(xiàn)則有效的解決上述問題，無人機植保徹底取代了人工作業(yè)的方式，降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率。而且配合無人機所具有的信息采集功能，可以基于農(nóng)作物的生長情況，對藥物噴灑量進行動態(tài)調(diào)控，并保障噴灑的均勻性。結合實踐研究來看，相較于傳統(tǒng)的植保方式，無人機植?？梢詫崿F(xiàn)20%～40%的農(nóng)藥節(jié)省，同時作業(yè)效率可以實現(xiàn)10倍以上的提升，且不會出現(xiàn)藥物殘留的情況。除此之外，無人機植保方式的適用性極強，在大部分復雜的地形和環(huán)境條件下都可以發(fā)揮出不俗的效果。綜合來看，無人機植保方式的應用可以極大地提高植保作業(yè)的效率和質(zhì)量，解決藥物殘留問題，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 無人機在精準農(nóng)業(yè)中的關鍵技術介紹

2.1 無人機超低空飛行控制技術

通過上文分析闡述我們已經(jīng)了解到，無人機在精準農(nóng)業(yè)的施肥、灌溉、植保、病蟲草害防治等方面都發(fā)揮著巨大的作用，這些工作的精準實施都離不開信息的采集，由于農(nóng)作物處于地表，因此想要獲取精確的信息資料，就需要使無人機保持長時間的低空飛行，這就涉及了超低空飛行控制技術的應用。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，很多農(nóng)田都存在較為復雜的地形條件，這對無人機飛行會產(chǎn)生一定的干擾。對此，需要在無人機中使用導航系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)，確保無人機能夠有效規(guī)避不利的地形。在導航系統(tǒng)構建中，需要使用到激光設備，其作用是對地測距；GPS定位系統(tǒng)，其作用是精準定位，其精度最高可以達到厘米級。而飛行控制系統(tǒng)的作用通常是去除超低空環(huán)境中的強地效影響以及紊亂氣流影響。

2.2 航跡規(guī)劃計劃以及施藥量分析技術

想要在保障作業(yè)質(zhì)量的前提下，最大程度的提高無人機作業(yè)的效率，就需要進一步提高無人機操作水平，即根據(jù)施藥的環(huán)境，進行自適應的航跡規(guī)劃，配合適當?shù)囊龑瓿深A先設定的任務。以四邊形的作業(yè)區(qū)域為例，生產(chǎn)人員首先需要設置地面控制站以及作業(yè)區(qū)域4個定點位置的GPS。在確定GPS的坐標之后，根據(jù)作業(yè)覆蓋整個農(nóng)田區(qū)域的要求，控制器進行在線航跡的規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃結果指引無人機完成相關操作，最終達到作業(yè)目標。

對于農(nóng)作物所遭受的害蟲侵襲，可以借助無人機采集獲的高光遙感影像數(shù)據(jù)，對蟲害的發(fā)展情況進行監(jiān)測了解，之后采取科學的對比策略，判斷蟲害的危險程度。對此，可以基于不同種類的作物，采取光譜檢驗的方式，根據(jù)光譜發(fā)射率的變化規(guī)律，確定施藥量。

2.3 噴灑荷載系統(tǒng)以及自動精準流控技術

在針對農(nóng)作物開展低空噴霧作業(yè)的過程中，有一個關鍵性的問題，即提升藥液的霧化，同時控制霧滴的漂移，其目的是強化霧滴作用于農(nóng)作物的穿透性，提高藥液在作物葉面的沉積率以及藥液的利用率。無人機低空飛行中可以實現(xiàn)對噴霧量的有效控制，而且還能夠基于作業(yè)的生長狀態(tài)，作出實時的噴施指令，借助可控制藥裝備，進行執(zhí)行實施，通過對噴霧流量、壓力、高壓靜電等參數(shù)以及噴臂狀態(tài)的調(diào)整，以獲得最理想的噴施效果。而且，綜合無人機的飛行狀態(tài)信息以及施藥深度的要求，可以實時計算處是施藥電液的噴施流量。采用閉環(huán)比例控制設備對噴施的速度進行動態(tài)調(diào)整。在整個作業(yè)過程中，無人機上安裝的流量測量儀會將當前的噴灑流量數(shù)據(jù)采集、反饋并計算獲取最佳噴灑值，之后通過PI控制，實現(xiàn)高效精確的流量控制，提高藥液噴灑的均勻度。

3 當前階段我國精準農(nóng)業(yè)中無人機應用發(fā)展的困境解析

隨著我國農(nóng)業(yè)轉型發(fā)展的深入，無人機等現(xiàn)代化設備以及先進技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用變得越來越廣泛，迎合市場需求，從事無人機研究、生產(chǎn)的機構和企業(yè)也在增加。同時，中央出臺的關于加強農(nóng)用航空建設的文件也為領域發(fā)展提供了契機。但是由于基礎薄弱，無人機在我國精準農(nóng)業(yè)中應用時必然也遭遇了一定的困難，這也為農(nóng)用無人機的發(fā)展指明了方向。

3.1 農(nóng)用無人機技術不完善、設備可靠性低

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的無人機在操作便捷性、性能可靠性等方面均存在一定的不足，還無法達到美、日等發(fā)達國家的水平。例如，在飛行續(xù)航方面，我國所使用的農(nóng)用無人機由于機身質(zhì)量差，且搭載設備較多，使得其續(xù)航時間大幅度縮短，一般不超過1h，而且在作業(yè)中需要頻繁的降落進行電池的更換，嚴重影響了作業(yè)效率。而且這種行為會造成機身溫度的增加，損害無人機的使用壽命。再如，無人機及其承載部件對農(nóng)藥的耐受性不足，由于現(xiàn)階段航空施藥的藥量精準控制以及漂移控制尚不完善，因此不可避免地會出現(xiàn)藥液污染機身的情況。除此之外，我國農(nóng)用無人機的安全性保障功能存在缺失，如失聯(lián)返航、失控保護、自動避障、設置安全作業(yè)區(qū)域等功能均存在不足。

3.2 配套設施缺失、維護成本高昂

當前階段，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中比較常用的無人機機型主要有單旋翼、多旋翼、油動力以及電池動力幾種。固然，無人機技術的應用使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、質(zhì)量獲得了有效的提升，但是其制造成本也遠高于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械，而植保無人機的售價甚至高達5～20萬元，在我國基本上無法實現(xiàn)大范圍推廣應用。而且無人機使用涉及了很多專業(yè)技術，如飛控技術、動力技術等，專業(yè)性較強，想要良好使用，還需要參加培訓活動，掌握使用、維護、保養(yǎng)等方面的知識技能，這會使農(nóng)用無人機的使用成本進一步增加，這是我國絕大多數(shù)農(nóng)戶都無法承受的。

根據(jù)我國國情，過高的成本是阻礙農(nóng)用無人機推廣的主要因素之一。另一方面，我國缺少專業(yè)的無人機操作人員。造成這種情況的深層原因是我國與農(nóng)用無人機配套基礎設施尚不完善，極大阻礙了農(nóng)用無人機的市場化和規(guī)模化發(fā)展。

針對以上2個方面的問題，未來一段時間我國農(nóng)用無人機領域的發(fā)展應集中在研發(fā)2個方面：首先，加大農(nóng)用無人機領域的研發(fā)投入，對關鍵技術進行攻關，提高無人機綜合性能，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加有力的支撐。其次，加快完善農(nóng)用無人機配套設施，包括社會化服務體系、人才培養(yǎng)機制、銷售服務體系等，促進無人機的推廣應用。

4 結語

在我國現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中，想要最大程度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、質(zhì)量，同時降低生產(chǎn)成本、控制環(huán)境污染，最有效的方法就是引入先進的技術設備，構建全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系、模式，如此才能將我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的潛力充分挖掘出來，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。將無人機應用于精準農(nóng)業(yè)中具有減少作業(yè)強度、有效控制病蟲草害、農(nóng)田監(jiān)測管理等多種改進效果，解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在的弊端。近年來，農(nóng)用無人機在我國發(fā)展迅猛，但離大范圍推廣還有一段很長的距離，這需要進一步加強在該領域的研發(fā)攻關，在提升無人機性能的基礎上，對制造成本進行壓縮控制，同時完善社會化配套服務體系，加強專業(yè)操作人員培養(yǎng)。