構(gòu)建農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其在水稻、小麥病蟲害聯(lián)合監(jiān)測與精準防控方案中的應(yīng)用

王桂寶

江蘇省淮安市洪澤區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江蘇淮安 223100

農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是集成無人機、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的先進農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。水稻、小麥病蟲害常制約農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。該系統(tǒng)通過無人機實時獲取農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)病蟲害跡象并進行針對性防治，替代傳統(tǒng)人工巡視和防治，提高效率，降低成本。聯(lián)合監(jiān)測更全面地了解農(nóng)田病蟲害情況，提供準確數(shù)據(jù)支持。這一系統(tǒng)將為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展帶來新機遇，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，推動農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新。

1 構(gòu)建農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1.1 無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述與架構(gòu)

農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一組無人機組成，每架無人機配備多種傳感器，如紅外傳感器、高分辨率相機、溫濕度傳感器等。這些傳感器可以實時獲取農(nóng)田的環(huán)境信息，包括土壤狀況、氣候變化和作物生長狀態(tài)等。無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，其中的無人機可以協(xié)同工作，實現(xiàn)廣覆蓋的監(jiān)測能力。無人機之間通過無線通信相互連接，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至中央控制中心[1]。中央控制中心負責對數(shù)據(jù)的集中存儲、處理和分析，從而為農(nóng)田病蟲害的監(jiān)測和防控提供支持。

該系統(tǒng)的概述與架構(gòu)使農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家能夠及時獲得農(nóng)田信息，并實時監(jiān)測病蟲害等災(zāi)害，從而精準制定防治病蟲害措施，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程。同時，通過無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)田監(jiān)測的自動化和智能化，有效降低了人力成本，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1.2 傳感器技術(shù)在無人機網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

傳感器技術(shù)在無人機網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，為農(nóng)田監(jiān)測和農(nóng)作物管理帶來了革命性的變化。通過搭載各種傳感器，無人機可以實時獲取農(nóng)田中的多種環(huán)境數(shù)據(jù)，如紅外傳感器被用于檢測植物健康狀況，高分辨率相機捕捉農(nóng)田圖像，以制作地圖和進行植株計數(shù)，溫濕度傳感器幫助農(nóng)民了解土壤濕度和溫度變化，大氣傳感器監(jiān)測大氣污染物含量。這些數(shù)據(jù)通過無線通信傳輸至中央控制中心，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析后，為農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家提供準確的信息，使決策更科學，農(nóng)作物管理更精準。傳感器技術(shù)的應(yīng)用使無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠全天候、全方位地監(jiān)測農(nóng)田，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展提供了有力支持。

隨著無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷升級和優(yōu)化，傳感器技術(shù)還可以與人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)更智能化的農(nóng)田監(jiān)測和防控。利用機器學習算法，無人機可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測結(jié)果，預測病蟲害暴發(fā)的潛在風險，提前采取防控措施，最大限度地減少農(nóng)作物損失。同時，無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也可以實現(xiàn)自主飛行和路徑規(guī)劃，提高監(jiān)測效率和數(shù)據(jù)的全面性。

1.3 通信技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸方案

通信技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸方案在農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它們是保證系統(tǒng)正常運行和數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。在農(nóng)田環(huán)境下，通信技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸方案需要具有穩(wěn)定性、可靠性、低延遲和高帶寬的特點，以確保無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取和傳輸大量農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)。

第一，通信技術(shù)是無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中信息傳遞的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)如蜂窩網(wǎng)絡(luò)（3G、4G、5G）以及WiFi在一定程度上可以滿足數(shù)據(jù)傳輸需求，但在農(nóng)村偏遠地區(qū)和復雜地形條件下，信號覆蓋可能受限，因此需要考慮應(yīng)用其他技術(shù)。例如：對于大范圍的農(nóng)田監(jiān)測，可以應(yīng)用衛(wèi)星通信技術(shù)，實現(xiàn)廣域覆蓋，確保及時上傳和接收無人機數(shù)據(jù)。考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，應(yīng)用加密技術(shù)保護數(shù)據(jù)的隱私和完整性，避免數(shù)據(jù)泄露和被篡改。第二，數(shù)據(jù)傳輸方案是確保無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵因素[2]。由于無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，包括圖像、視頻和傳感器采集數(shù)據(jù)，因此需要選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方案實現(xiàn)高速和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸?？梢詰?yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減少數(shù)據(jù)量，從而節(jié)省傳輸帶寬。第三，引入數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，避免數(shù)據(jù)擁堵和丟失。同時，對數(shù)據(jù)傳輸進行實時監(jiān)控和故障檢測，及時發(fā)現(xiàn)和解決傳輸問題，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。針對農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特殊需求，可以采用多級傳輸方案，即通過多種通信技術(shù)實現(xiàn)冗余傳輸，確保數(shù)據(jù)的備份和傳輸?shù)目煽啃?。例如，在農(nóng)田范圍內(nèi)，可以應(yīng)用近距離通信技術(shù)，如藍牙和無線局域網(wǎng)（WLAN），實現(xiàn)無人機與基站之間的短距離數(shù)據(jù)傳輸。而在農(nóng)田邊緣地區(qū)，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，確保整個網(wǎng)絡(luò)的連通性。

2 水稻、小麥病蟲害聯(lián)合監(jiān)測

2.1 病蟲害監(jiān)測需求和挑戰(zhàn)

水稻、小麥病蟲害聯(lián)合監(jiān)測是農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要應(yīng)用之一，綜合監(jiān)測水稻和小麥等作物的病蟲害情況，制定更全面和精準的防控措施。病蟲害監(jiān)測對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，也面臨一系列的挑戰(zhàn)。

第一，病蟲害監(jiān)測的需求日益增加。隨著氣候變化、全球貿(mào)易和人類活動的影響，農(nóng)作物面臨著更多的病蟲害威脅。因此，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家需要實時了解農(nóng)田病蟲害的分布和發(fā)展情況，以便及時采取有效的防控措施，保證農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

第二，病蟲害監(jiān)測面臨著監(jiān)測范圍廣、周期短的挑戰(zhàn)。不同病蟲害在不同生長階段和環(huán)境條件下可能出現(xiàn)，因此監(jiān)測需求涵蓋了廣闊的農(nóng)田區(qū)域，并需要持續(xù)的周期性監(jiān)測。傳統(tǒng)的人工巡視監(jiān)測難以滿足這種需求，而無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、全方位的監(jiān)測，大幅度提高了監(jiān)測效率和準確性。

第三，病蟲害監(jiān)測面臨著數(shù)據(jù)處理和分析的挑戰(zhàn)。無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)量龐大，包括圖像、視頻和傳感器數(shù)據(jù)，需要進行高效的處理和分析，從中提取有價值的信息。因此，如何有效整合和利用這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對病蟲害的預測和預警，是亟待解決的問題。

2.2 無人機在病蟲害監(jiān)測中的優(yōu)勢

第一，無人機能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、高空俯視的監(jiān)測視角。通過搭載高分辨率相機和紅外傳感器等傳感器，無人機可以高空飛行，覆蓋大面積的農(nóng)田，實時獲取農(nóng)田的圖像和數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的人工巡視監(jiān)測，無人機的全景監(jiān)測能力更強，能夠快速全面地了解農(nóng)田的病蟲害情況。

第二，無人機具有靈活性和可編程性。可以對無人機的飛行路徑和航線進行靈活調(diào)整和編程，根據(jù)監(jiān)測需求和農(nóng)田情況進行定制化飛行，從而實現(xiàn)對目標區(qū)域的重點監(jiān)測和定點觀測。這種靈活性使得無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在不同時間、不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對病蟲害的聯(lián)合監(jiān)測。

第三，無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高效率和低成本的特點。相比傳統(tǒng)的人工巡視監(jiān)測，無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化的監(jiān)測，節(jié)省了大量的人力和時間成本。同時，無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過多架無人機協(xié)同工作，提高監(jiān)測效率，快速獲取大量數(shù)據(jù)，使得無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為大規(guī)模農(nóng)田監(jiān)測的理想選擇。

第四，無人機的數(shù)據(jù)采集和傳輸具有實時性。無人機可以實時將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至中央控制中心進行處理和分析，無須等待，從而及時掌握農(nóng)田病蟲害的動態(tài)變化情況，為防控措施的制定提供準確數(shù)據(jù)支持。

2.3 數(shù)據(jù)收集與處理方法

數(shù)據(jù)收集階段是確保監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵。在無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，無人機搭載各種傳感器，能夠?qū)崟r獲取農(nóng)田的環(huán)境數(shù)據(jù)、圖像和視頻。為了確保數(shù)據(jù)的準確性，需要對傳感器進行校準和定標，以消除傳感器誤差和漂移。同時，還需要合理安排無人機的飛行路徑和航線，以實現(xiàn)對高效全面的數(shù)據(jù)收集。使用多架無人機協(xié)同工作，可以進一步提高數(shù)據(jù)收集效率，覆蓋更廣泛的農(nóng)田區(qū)域。數(shù)據(jù)處理階段是數(shù)據(jù)分析和信息提取的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，包括圖像、視頻和傳感器采集數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理和分析，提取有價值的信息。

數(shù)據(jù)處理方法包括圖像處理、遙感數(shù)據(jù)分析和深度學習等技術(shù)。通過圖像處理技術(shù)，可以提取農(nóng)田圖像中的農(nóng)作物信息、病蟲害特征等。遙感數(shù)據(jù)分析可以結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS），對農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)進行空間分析和圖層疊加，形成農(nóng)田監(jiān)測信息的多維展示。深度學習技術(shù)可以被應(yīng)用于圖像識別和分類，實現(xiàn)對病蟲害的自動化識別和預測。數(shù)據(jù)存儲和傳輸是數(shù)據(jù)收集與處理的重要環(huán)節(jié)。由于無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，需要選擇合適的數(shù)據(jù)存儲方案，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。云存儲和分布式存儲等技術(shù)可以滿足數(shù)據(jù)存儲的需求。同時，數(shù)據(jù)傳輸需要具有高效穩(wěn)定的特點，確保數(shù)據(jù)的實時傳輸[3]。對于大數(shù)據(jù)量的傳輸，可以采用數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置等方法，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

3 精準防控方案

3.1 預測模型

第一，預測模型通過對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，識別病蟲害發(fā)生的規(guī)律和趨勢。通過對不同季節(jié)、氣候條件和作物生長階段等因素進行綜合分析，建立相關(guān)的預測算法和模型。這些模型可以幫助農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家了解病蟲害的發(fā)生規(guī)律，預測病蟲害的高發(fā)期和高風險區(qū)域，及時采取防控措施，減少病蟲害造成的損失。

第二，預測模型結(jié)合實時收集的環(huán)境數(shù)據(jù)，不斷更新和優(yōu)化預測結(jié)果。無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實時采集農(nóng)田的溫濕度、土壤濕度、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)，并與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比和分析。通過實時更新監(jiān)測數(shù)據(jù)，預測模型可以精準地預測病蟲害的發(fā)展趨勢，及時進行預警和防控。

第三，預測模型可以結(jié)合農(nóng)田管理實踐，實現(xiàn)智能決策支持。通過預測模型的輸出結(jié)果，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家可以了解病蟲害防控的風險和影響，根據(jù)實際情況制定相應(yīng)的防控策略和措施。例如：根據(jù)預測結(jié)果調(diào)整灌溉和施肥計劃，選擇合適的農(nóng)藥種類和用量，實現(xiàn)精準噴灑和施藥，降低農(nóng)藥的使用量和環(huán)境污染。

3.2 智能決策支持系統(tǒng)

智能決策支持系統(tǒng)利用無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集的大量農(nóng)田監(jiān)測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)、病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)、作物生長狀態(tài)等，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理和清洗，形成全面、準確的數(shù)據(jù)集。通過數(shù)據(jù)的全方位、高頻率采集，智能決策支持系統(tǒng)確保數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。智能決策支持系統(tǒng)運用預測模型和數(shù)據(jù)分析算法。根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和預測模型的輸出結(jié)果，智能決策支持系統(tǒng)可以為農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家提供針對性的防控策略和措施，優(yōu)化農(nóng)田管理方案，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。

智能決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)了決策的可視化和智能化。通過用戶友好的界面和圖表展示，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家可以直觀地了解農(nóng)田病蟲害的監(jiān)測情況和預測結(jié)果。同時，智能決策支持系統(tǒng)可以自動化生成決策報告和預警信息，及時向相關(guān)人員傳遞重要的決策信息，提供科學決策的便利。

第一，無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)起到了關(guān)鍵作用。這些無人機配備了高度先進的傳感器，可以在不同高度收集多種數(shù)據(jù)。從農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)如土壤濕度和溫度，到病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)、昆蟲種類和疾病跡象，再到作物生長狀態(tài)，無人機系統(tǒng)能夠全方位、高頻率地捕捉這些信息。這些原始數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格的數(shù)據(jù)預處理和清洗，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性。這一步驟至關(guān)重要，因為數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響后續(xù)的決策和預測準確性。

第二，系統(tǒng)運用預測模型和數(shù)據(jù)分析算法處理這些數(shù)據(jù)。這些模型可以分析歷史數(shù)據(jù)趨勢，預測未來的病蟲害暴發(fā)風險或作物生長趨勢。這為農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家提供了寶貴的信息，使他們能夠及時采取防控措施。

第三，智能決策支持系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶來了前所未有的便利以及科學決策的支持。通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，它不僅可以幫助農(nóng)民更好地管理農(nóng)田資源，還有助于減少農(nóng)藥和肥料的浪費，降低生產(chǎn)成本，從而農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。此外，也為農(nóng)業(yè)專家提供了寶貴的研究工具，有助于專家深入了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化的影響。綜合來看，智能決策支持系統(tǒng)不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，還為農(nóng)村地區(qū)帶來了更好的經(jīng)濟前景和生活質(zhì)量。

3.3 精準噴灑與施藥技術(shù)

第一，精準噴灑與施藥技術(shù)依賴無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所搭載的高精度傳感器和智能控制系統(tǒng)。無人機配備先進的位置定位和飛行控制技術(shù)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的飛行和精確的噴灑施藥[4-6]。通過搭載多種傳感器，如紅外傳感器和高分辨率相機，無人機可以實時感知農(nóng)田環(huán)境和作物狀況，準確識別病蟲害和雜草等有害生物。

第二，精準噴灑與施藥技術(shù)可以根據(jù)農(nóng)田環(huán)境和作物需求，量身定制噴灑和施藥方案。無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預測模型的輸出結(jié)果，確定噴灑和施藥的目標區(qū)域和目標量。通過智能控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)精確的定點噴灑和施藥，避免農(nóng)藥的浪費或過度使用，減少對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響。

第三，精準噴灑與施藥技術(shù)為農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家提供了更加科學和精確的決策支持。通過無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)和智能決策支持系統(tǒng)的分析結(jié)果，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家可以制定合理的噴灑和施藥計劃，選擇適宜的農(nóng)藥品種和用量，最大限度地保證農(nóng)作物的健康和產(chǎn)量[7-10]。

4 結(jié)束語

農(nóng)田無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在水稻、小麥病蟲害監(jiān)測與防控方面展現(xiàn)了巨大的潛力。通過持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用實踐，無人機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將進一步提高農(nóng)田監(jiān)測和防控的效率和準確性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展提供持續(xù)支持。同時，智能決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用也將推動農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)糧食安全和鄉(xiāng)村振興的目標。