無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

唐永海

(東豐縣黃河鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心(農(nóng)機(jī)站)，吉林 東豐 136321)

0 引言

近年來(lái)隨著科技快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備已經(jīng)發(fā)生了快速的改變，尤其是隨著農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治、精準(zhǔn)作業(yè)等提供了巨大的幫助，農(nóng)用無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、操控方便等優(yōu)勢(shì)[1-3]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要進(jìn)行植保飛防與地面遙感等應(yīng)用，可以完成航空植保、種子播撒、肥料噴灑等作業(yè)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了更加廣闊的應(yīng)用。

農(nóng)用無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，可以攜帶高清攝像裝備執(zhí)行航空拍攝任務(wù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遙感衛(wèi)星測(cè)量精度較低的問(wèn)題，在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)、病蟲害分析、作物長(zhǎng)勢(shì)分析等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空航拍及時(shí)獲得農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)情況，及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，保證農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[4-5]。

1 農(nóng)用無(wú)人機(jī)優(yōu)點(diǎn)

1.1 適應(yīng)性及通用性較強(qiáng)

農(nóng)用無(wú)人機(jī)可以在環(huán)境惡劣、污染較為嚴(yán)重的區(qū)域執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)，可以替代人工進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)的工作任務(wù)，隨著農(nóng)業(yè)集約化、大型化發(fā)展，農(nóng)業(yè)耕地逐漸集中，當(dāng)大面積耕地出現(xiàn)病蟲害，無(wú)法依靠人力進(jìn)行快速防治，而使用農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)可以在最短的時(shí)間內(nèi)解決大面積病蟲害的問(wèn)題，提高作業(yè)效率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)糧食高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

1.2 體積小，操作靈活，應(yīng)用較為安全

植保無(wú)人機(jī)操作簡(jiǎn)單，起降方便，且對(duì)操作人員的培訓(xùn)周期短，對(duì)人員專業(yè)知識(shí)要求不高，利用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行防治工作，可以保持人員遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)域，保證工作人員的身體健康，還可以減少農(nóng)藥殘留造成的土壤、水流環(huán)境污染等問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、推動(dòng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進(jìn)程具有重要意義[6]。

2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)概念及發(fā)展意義

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)又被稱為“精確農(nóng)業(yè)”或“精細(xì)農(nóng)業(yè)”，是20世紀(jì)80年代末由美國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)部門提出的，屬于一種以高新現(xiàn)代管理技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)微觀管理方式，根據(jù)不同地區(qū)的農(nóng)作物實(shí)際需要進(jìn)行投入與管理。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以農(nóng)業(yè)信息技術(shù)為支撐，根據(jù)農(nóng)業(yè)空間變化，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作與管理的系統(tǒng)，屬于一種綜合集成的高科技農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主要包括全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)、智能化農(nóng)機(jī)裝備系統(tǒng)、農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以將遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等高新技術(shù)與地理學(xué)、農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物生理學(xué)、土壤學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)作物耕、種、收、加工、銷售等進(jìn)行全程模擬、監(jiān)測(cè)、判斷與預(yù)測(cè)等，從而實(shí)現(xiàn)提高農(nóng)業(yè)資源利用效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式及生態(tài)環(huán)境的目的，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng)之路。

3 無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 無(wú)人機(jī)自主精準(zhǔn)降落方法研究

無(wú)人機(jī)自主精準(zhǔn)降落是實(shí)現(xiàn)農(nóng)用無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)的基礎(chǔ)與必備條件，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的自主、精準(zhǔn)降落，需要在傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)執(zhí)行平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加圖像采集裝備及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)圖像采集裝備實(shí)時(shí)采集無(wú)人機(jī)飛行圖像，基于視覺識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落與實(shí)時(shí)定位，主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

無(wú)人機(jī)自主精準(zhǔn)降落系統(tǒng)的主要工作過(guò)程主要分為四個(gè)主要步驟，主要工作流程如下。

1)初始化模塊。首先對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)各個(gè)模塊進(jìn)行檢查，確保無(wú)人機(jī)各個(gè)組成部分都能正常工作，檢查無(wú)誤后開始無(wú)人機(jī)操作；

2)無(wú)人機(jī)起飛。按照無(wú)人機(jī)操作流程實(shí)施無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)并執(zhí)行工作；

3)自主識(shí)別與定位。無(wú)人機(jī)在開始執(zhí)行飛防任務(wù)后，依據(jù)高清攝像裝置等捕獲無(wú)人機(jī)圖像，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行器的控制；

4)自主降落。當(dāng)無(wú)人機(jī)執(zhí)行完畢相關(guān)工作任務(wù)后，開始確定無(wú)人機(jī)降落點(diǎn)，不斷降低飛行高度，當(dāng)降落到一定高度時(shí)，確保與降落點(diǎn)對(duì)齊后進(jìn)行快速降落，主要工作流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)自主精準(zhǔn)降落系統(tǒng)工作流程圖

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落的重要技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)用無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)的重要保障，其計(jì)算機(jī)控制核心主要為分層控制，環(huán)環(huán)相扣，主要控制原理圖入圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)飛行控制工作原理圖

3.2 無(wú)人機(jī)遙感下作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)管理措施，是保證糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要條件。其中，作物的光合作用及葉綠素含量是保證作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要基礎(chǔ)，直接決定著作物的產(chǎn)量與健康狀態(tài)，同時(shí)可以反映出作物的營(yíng)養(yǎng)狀況，是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施的重要指標(biāo)與控制策略。農(nóng)作物病蟲害是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要因素之一，也是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展及糧食產(chǎn)量提高的第一大自然災(zāi)害，病蟲害一旦發(fā)生就會(huì)迅速蔓延，導(dǎo)致大面積作物感染發(fā)病，會(huì)造成糧食減產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)損失。因此，高效、快速、科學(xué)地獲取作物相關(guān)長(zhǎng)勢(shì)參數(shù)及病蟲害檢測(cè)模型，對(duì)于實(shí)現(xiàn)作物精準(zhǔn)管理、精準(zhǔn)施藥及保障國(guó)家糧食安全具有重要意義?；谵r(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的遙感采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、各類傳感器技術(shù)及地面控制系統(tǒng)組成。無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)主要是搭載無(wú)人機(jī)飛行的主要載體，以目前常見的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)DJI-Matric 600 Pro為例進(jìn)行相關(guān)技術(shù)參數(shù)介紹與分析。該飛行平臺(tái)配備傳感器系統(tǒng)及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，技術(shù)參數(shù)如表1所示。常見的飛行器高光譜成像系統(tǒng)采用Nano-Hyperspec，主要技術(shù)參數(shù)入表2所示。

表1 DJI-Matric 600 Pro 主要技術(shù)參數(shù)

表2 Nano-Hyperspec高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3.3 無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)變量噴灑控制技術(shù)研究

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向與目標(biāo)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑管理方式主要是依據(jù)農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)判斷是否進(jìn)行病蟲害防治及噴灑。另一方面，在進(jìn)行農(nóng)藥噴灑過(guò)程中，依靠農(nóng)戶進(jìn)行噴灑會(huì)造成農(nóng)藥噴灑不均勻，容易造成環(huán)境污染，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危害農(nóng)戶身體健康。采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)藥噴灑，可以提高農(nóng)藥噴灑的安全性與可靠性，無(wú)人機(jī)可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)農(nóng)藥噴灑藥量，目前常見的無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)變量噴灑裝置主要基于PWM控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

隨著農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治、精準(zhǔn)作業(yè)等提供了巨大的幫助。農(nóng)用無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、操控方便等優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要進(jìn)行植保飛防與地面遙感等工作，可以進(jìn)行航空植保、種子播撒、肥料噴灑等，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣闊的應(yīng)用，是保證農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)之一。本研究基于無(wú)人機(jī)相關(guān)特點(diǎn)及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展特征，系統(tǒng)闡述了目前農(nóng)用無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的主要應(yīng)用范圍，主要包括農(nóng)用無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)降落技術(shù)、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)技術(shù)及精準(zhǔn)變量控制技術(shù)等研究結(jié)果對(duì)于推動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)參考與理論借鑒。