農(nóng)用無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究*

任震宇，屈 東，唐真真

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 綿陽 621000）

智慧農(nóng)業(yè)管理是把物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)運(yùn)用在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理中，即利用傳感器或者應(yīng)用軟件、利用移動平臺和個人電腦平臺對農(nóng)作物實(shí)施管理，讓傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更加富有“智慧”。其中智慧農(nóng)業(yè)的主要板塊“農(nóng)用無人機(jī)”憑借其工作高效率省心省力的優(yōu)勢解決了市場的不同需求，為我國解決農(nóng)作物病蟲害影響農(nóng)業(yè)種植問題提供了巨大的幫助，緩解了農(nóng)業(yè)對于人力的解放同時也保證了糧食產(chǎn)量的提升，促進(jìn)了我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變[1]。不過，雖然農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用表現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，但同樣還存在一些問題，如果不能有效解決這些問題，那么今后農(nóng)用無人機(jī)的發(fā)展依然會受到限制[2]。

1 農(nóng)用無人機(jī)的研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國對農(nóng)用無人機(jī)的研究與開發(fā)起步較晚，載人飛機(jī)控制和無人機(jī)控制的總份額不到2%。這就反映出無人機(jī)的前景大有可為。就農(nóng)業(yè)領(lǐng)域來說，電動的農(nóng)用無人機(jī)有眾所周知的極飛，油動的單旋翼農(nóng)用無人機(jī)有漢和、全豐，油動大載重長航時多旋翼農(nóng)用無人機(jī)有深圳常鋒、大疆，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅極飛無人機(jī)就已在20萬公頃農(nóng)田中發(fā)揮了重要作用，累計(jì)積累了大量的耕地數(shù)據(jù)和用戶聲譽(yù)，是中國領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)無人機(jī)公司[3]。

1.2 農(nóng)用無人機(jī)分類

市場上銷售的農(nóng)用無人機(jī)有兩類，一類是按動力功率劃分，另一類是按機(jī)型結(jié)構(gòu)劃分。

按動力功率分為電動、油動和油電混動農(nóng)用無人機(jī)。電動農(nóng)用無人機(jī)價格相對實(shí)惠、易于護(hù)養(yǎng)、環(huán)保、電池可反復(fù)使用，該飛機(jī)主要依賴飛控系統(tǒng)，對用戶遙控技術(shù)要求更低，因此在市場上大受歡迎[4]。相比之下，油動農(nóng)用無人機(jī)較昂貴，自動化程度較低，易發(fā)生故障。對飛手飛行技術(shù)、護(hù)養(yǎng)技能要求較高且以汽油為燃料，不利于環(huán)保。但油動農(nóng)用無人機(jī)卻有載荷大、續(xù)航長、單次作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)、抗風(fēng)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。隨著目前種植土地的規(guī)范化運(yùn)營管理以及地面飛控系統(tǒng)的逐步完善，所以油電混動農(nóng)用無人機(jī)的優(yōu)越性也就顯現(xiàn)了出來[5]。

按機(jī)型結(jié)構(gòu)可分為單旋翼、固定翼和多旋翼農(nóng)用無人機(jī)。單旋翼無人機(jī)的工作面積大[6-7]，能在風(fēng)中保持平靜姿態(tài)，但由于價格高，操作的復(fù)雜性不如多旋翼農(nóng)用無人機(jī)受歡迎。固定翼農(nóng)用無人機(jī)廣泛應(yīng)用于農(nóng)田信息收集、災(zāi)情預(yù)警、作物成熟度估測等。多旋翼無人機(jī)因?yàn)樽詣踊潭雀?、入門門檻極低、成本便宜的優(yōu)點(diǎn)大殺四方，唯一不足就是抗風(fēng)穩(wěn)定性較差且以目前技術(shù)而言農(nóng)藥噴灑效果較差，但依然受人喜歡[8]。農(nóng)用無人機(jī)的分類，如圖1所示。

圖1 農(nóng)用無人機(jī)的分類

2 基于無人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)體系

2.1 傳統(tǒng)農(nóng)作物種植流程

我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)多為集約式農(nóng)業(yè)，主要特征為因時因地制宜，精耕細(xì)作，以增加耕地利用率、增加單位面積生產(chǎn)為中心，并采用了良種、精耕、細(xì)管、多肥等一系列的科技措施，如圖2所示。在傳統(tǒng)農(nóng)藝研究與生產(chǎn)實(shí)踐中，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)達(dá)到了古代世界的最高水準(zhǔn)[9]。

圖2 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植流程圖

2.2 根據(jù)傳統(tǒng)農(nóng)作物種植流程優(yōu)化的智慧農(nóng)業(yè)體系

智慧農(nóng)業(yè)也可理解為數(shù)字農(nóng)村+精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，是以現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)智能科技和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對農(nóng)村的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動實(shí)施智能管控，進(jìn)而達(dá)到農(nóng)作物種植精細(xì)化、生產(chǎn)管控過程可視化、經(jīng)營決策自動化[10]。

以下從精耕、良種、細(xì)管、保護(hù)、豐收五個方面闡述智慧農(nóng)場系統(tǒng)框架，如圖3所示。

圖3 智慧農(nóng)業(yè)種植流程圖

（1）精耕：農(nóng)田測繪、田間環(huán)境監(jiān)測、土壤分析與墑情測定、平整地分析。

（2）良種：良種選擇、雜草識別、出苗分析、空穴普查。

（3）細(xì)管：植保作業(yè)監(jiān)管、可變追肥、農(nóng)作物生長監(jiān)測。

（4）保護(hù)：病蟲害監(jiān)測、野生動物踩踏、夜視追蹤。

（5）豐收：氣候預(yù)估、產(chǎn)量預(yù)估、產(chǎn)量實(shí)測、根據(jù)成熟度規(guī)劃收割路線。

智慧農(nóng)業(yè)主要包括智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智慧農(nóng)業(yè)管理、智慧農(nóng)業(yè)信息服務(wù)等。其形成與當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速有關(guān)，目前中國智慧農(nóng)業(yè)已處于世界先進(jìn)水平。

2.3 基于農(nóng)用無人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)終端體系

基于農(nóng)用無人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)終端體系是以智慧農(nóng)業(yè)平臺為總平臺，以衛(wèi)星定位為基礎(chǔ)，用田間基站，農(nóng)用無人機(jī)，智能農(nóng)機(jī)實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋給智慧農(nóng)業(yè)平臺，進(jìn)而形成的閉環(huán)反饋實(shí)時數(shù)據(jù)更新調(diào)整的基于農(nóng)用無人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)體系[11]，如圖4所示。

圖4 基于農(nóng)用無人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)體系架構(gòu)

3 無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)在遙感監(jiān)測方面的應(yīng)用

遙感技術(shù)是識別探測目標(biāo)的技術(shù)，是通過目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線來感知目標(biāo)的[12]。無人機(jī)遙感技術(shù)是在無人機(jī)上安裝傳感器，可以迅速掌握土地、資源、環(huán)境地形地貌等信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的分析處理，最后通過數(shù)據(jù)建模形成與之匹配的模型的綜合應(yīng)用技術(shù)[13]。無人機(jī)遙感系統(tǒng)由硬件、軟件和通訊系統(tǒng)組成。

無人機(jī)作為新型的遙感平臺，近年來該技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大[14]。無人機(jī)遙感技術(shù)普遍用于糧食作物檢測、農(nóng)田作物長勢檢測。近年來，無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)檢測和糧食產(chǎn)量評測等方面均有重大突破。

3.2 無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用是指通過在無人機(jī)上搭載帶有兩個或兩個以上波譜通道的感應(yīng)器，對農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)同步成像的一類遙感技術(shù)，它把從目標(biāo)物上反射輻射的電磁波信號，分為幾個波譜段加以接收并記錄。實(shí)現(xiàn)多光譜遙感的主要傳感器是多光譜攝像機(jī)，每次拍照都可以產(chǎn)生多個不同光譜的影像[15-16]。

在過去的十年中，無人機(jī)（UAV）的發(fā)展和迅速崛起標(biāo)志著遙感技術(shù)進(jìn)入了一個新時代，它提供了前所未有的空間、光譜和時間分辨率數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是無人機(jī)最有經(jīng)濟(jì)價值的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

3.3 無人機(jī)在圖像識別方面的應(yīng)用

人臉識別、車牌識別、車船監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤是無人機(jī)圖像識別的典型應(yīng)用，近年來隨著5G技術(shù)的更新，無人機(jī)識圖也逐漸在各行各業(yè)中體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。

圖像分離是無人機(jī)在識圖方面最基礎(chǔ)的應(yīng)用，它主要是通過圖像的像素計(jì)算特性來對像素進(jìn)行細(xì)分，從而使各個類型的像素分離?；谛〔ㄗ儞Q的多像素劃分方式，首先對圖像的灰度直方圖進(jìn)行了小波多尺寸轉(zhuǎn)換，然后再由大的尺寸系數(shù)到較小的尺寸系數(shù)，逐步定位出灰度閾值，如圖5所示。

圖5 圖像閾值分割流程圖

無人機(jī)在農(nóng)業(yè)識圖中通常是在無人機(jī)上搭載高清攝像機(jī)，利用多旋翼無人機(jī)低空飛行，該相機(jī)鏡頭可實(shí)現(xiàn)厘米級空間分辨率的技術(shù)優(yōu)勢，可對所抓拍的作物數(shù)碼影像紋理、色澤等空間資料特性進(jìn)行提取解析，可開展農(nóng)作物葉面積指標(biāo)測算、不同生長期的長勢評價、農(nóng)產(chǎn)品辨識等相關(guān)研究。

3.4 無人機(jī)在農(nóng)田管理方面的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須對耕地開展真實(shí)、全方位地檢測分析，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)能夠給耕地生產(chǎn)提供真實(shí)的農(nóng)業(yè)信息，以此來指導(dǎo)耕作管理，通過對作物進(jìn)行長勢的精確監(jiān)測，進(jìn)行田間精細(xì)化管理，通過合理分配農(nóng)藥肥料來改善農(nóng)作物的生長質(zhì)量，利用實(shí)時數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理種植，如圖6所示。

圖6 智慧農(nóng)業(yè)體系圖

無人機(jī)通過攜帶傳感器對地遙感監(jiān)測及時獲得精準(zhǔn)的田間信息，對作物長勢、土地信息、農(nóng)作物災(zāi)情等實(shí)現(xiàn)有效的動態(tài)監(jiān)控，與衛(wèi)星遙感監(jiān)控和地面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)控系統(tǒng)互補(bǔ)共筑空天地的一體的監(jiān)控系統(tǒng)，形成精準(zhǔn)的田間“診斷圖”，并根據(jù)田間實(shí)地狀況運(yùn)用到指導(dǎo)田間生產(chǎn)活動中，引導(dǎo)田間生產(chǎn)管理，做到及時對糧食作物進(jìn)行精準(zhǔn)化施肥、施藥和澆水管理。該管理方式打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期處于被動的地位。

3.5 無人機(jī)在農(nóng)田治理方面的應(yīng)用

據(jù)多名野生動物保護(hù)專家組成的調(diào)查團(tuán)隊(duì)估計(jì)，全省每年各地上報野豬致害7000-8000次，毀壞農(nóng)作物等造成的損失約2.15億元。今年北川、理塘已接連發(fā)生野豬傷人事件。針對該事件可在無人機(jī)上搭載野生動物提示和驅(qū)趕系統(tǒng)用以保護(hù)人們的人身安全和保障糧食的產(chǎn)量，同時在無人機(jī)上搭載高清相機(jī)和各種傳感器以實(shí)現(xiàn)對野生保護(hù)動物的跟蹤及抓捕。

同時，無人機(jī)具有精度高、熱捕獲速率快和反應(yīng)力敏銳等優(yōu)點(diǎn)。在無人機(jī)上搭載熱成像照相機(jī)，用來獲取作物冠層溫度（見表1）。作物冠層溫度，是指作物冠層內(nèi)不同高度莖、葉表面溫度的平均值，是反映作物生理狀況的主要指標(biāo)之一。所以，可使用作物冠層溫度來檢測作物是否遭受水分脅迫和病害等不良環(huán)境因素的影響，再通過檢測數(shù)據(jù)分析針對作物長勢合理分配資源。

表1 熱成像相機(jī)型號及應(yīng)用

4 無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的不足與發(fā)展趨勢

4.1 缺點(diǎn)分析

4.1.1 缺少操作員

農(nóng)業(yè)無人機(jī)的飛行具有一定危險性和難度，因此農(nóng)務(wù)人員需要進(jìn)行一定的專業(yè)培訓(xùn)才可以操作無人機(jī)，專業(yè)飛行人員除了能夠操作無人機(jī)，也需掌握農(nóng)作物的農(nóng)藥配比和噴灑量等。

4.1.2 續(xù)航載荷

在農(nóng)業(yè)作業(yè)中大多都是大范圍作業(yè)，續(xù)航較短、載荷量較小、通信距離較窄等因素使得農(nóng)業(yè)無人機(jī)難以推廣。

4.1.3 價格較高

農(nóng)業(yè)無人機(jī)相比于普通無人機(jī)來說，續(xù)航能力載重能力和持續(xù)飛行能力更好，機(jī)身也需要有抗農(nóng)藥腐蝕的性能，所以農(nóng)業(yè)無人機(jī)的價格會更加昂貴，購買后的無人機(jī)還需要保養(yǎng)和維修。

4.1.4 售后問題

農(nóng)業(yè)無人機(jī)售后很難得到保障，無人機(jī)出現(xiàn)故障，維修成本較高。

4.2 無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢

隨著社會的發(fā)展，農(nóng)村勞動力短缺，老齡化進(jìn)程加快，農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)有望隨著生態(tài)環(huán)境和食品安全的旺盛需求而發(fā)展，越來越多的企業(yè)也將參與到航空設(shè)備保護(hù)領(lǐng)域，農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)將得到飛速地發(fā)展。將來的無人機(jī)也將更加智能化、精準(zhǔn)化，性能更加優(yōu)良。

4.2.1 無人機(jī)智能化

利用無人機(jī)上自帶數(shù)據(jù)探測處理系統(tǒng)分析農(nóng)作物的生長發(fā)育情況。達(dá)到能自行按照植物生長情況進(jìn)行適量施肥和施藥，為無人機(jī)增加實(shí)時避讓技術(shù)，加強(qiáng)對無人機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，使控制系統(tǒng)智能化簡單化，達(dá)到操作人員不需要進(jìn)行無人機(jī)操作的培訓(xùn)就可以操作使用。

4.2.2 作業(yè)精準(zhǔn)化

農(nóng)業(yè)無人機(jī)的農(nóng)用效果是其應(yīng)用主要因素之一，因此未來農(nóng)用無人機(jī)要更加精準(zhǔn)、高效地運(yùn)行，還要實(shí)現(xiàn)高速、精準(zhǔn)探測，讓使操作人員的工作得到優(yōu)化。

4.2.3 優(yōu)化性能

提升蓄電池的容量，增加無人機(jī)的使用時間，降低故障率。根據(jù)不同作業(yè)設(shè)置對應(yīng)模式，強(qiáng)化無人機(jī)的噴灑裝置，生產(chǎn)噴灑專用藥劑，防止外部因素導(dǎo)致藥液漂移影響防治效果。

5 結(jié)束語

總體而言，平臺體系不完善，飛行穩(wěn)定性和自動化水平不高，電子傳感器成本過高及無法做到平民化是目前我國農(nóng)用無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中要面對的主要問題。農(nóng)用無人機(jī)噴施的霧滴、顆粒等游動規(guī)律需要更加清楚。施肥、施藥等機(jī)載設(shè)備的作業(yè)控制技術(shù)水平也具有很大的提升空間。作物長勢監(jiān)測和產(chǎn)量估測以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹鳎夷Ｐ途_度、穩(wěn)定性等尚未獲得證實(shí)。為克服上述問題，并推動農(nóng)用無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)中進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，下列幾個方向?qū)⑹茄芯康年P(guān)鍵。

（1）無人機(jī)的個性化與智能化：無人機(jī)應(yīng)具備基本避障應(yīng)急處理功能，同時可根據(jù)用戶的個性化需求提供個性化組裝，讓其不僅只是在農(nóng)忙時發(fā)揮作用，還可達(dá)到一機(jī)多用的目的。（2）機(jī)載傳感器的低成本和輕小型化：從無人機(jī)續(xù)航和載重方面考慮，在逐步更替的過程中應(yīng)該做到體積小、通用價格實(shí)惠等特點(diǎn)，只有這樣無人機(jī)才會在智慧農(nóng)業(yè)中得到普及。（3）機(jī)載農(nóng)機(jī)設(shè)備的智能化：考慮農(nóng)機(jī)設(shè)備在噴藥施肥等方面不能根據(jù)當(dāng)前該區(qū)域情況實(shí)施適當(dāng)計(jì)量作業(yè)，無人機(jī)應(yīng)達(dá)到實(shí)時處理數(shù)據(jù)，對農(nóng)機(jī)藥劑肥量用量等根據(jù)作業(yè)區(qū)域特征實(shí)時自動調(diào)整。（4）不同監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)的融合與應(yīng)用：在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中僅用無人機(jī)一種探測設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集有一定的局限性，很難準(zhǔn)確地判斷作物的具體情況，因此多平臺多數(shù)據(jù)的整合更有利于農(nóng)用無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，每年在農(nóng)業(yè)上無論是人力還是物力都是一筆不小的投入，人力物力的消耗、科學(xué)技術(shù)的更新無不促使著中國小農(nóng)生產(chǎn)向農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化過渡，而以農(nóng)用無人機(jī)為基礎(chǔ)的智慧農(nóng)業(yè)正是將來的大勢所趨。