無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領域的應用研究

趙 宇

(黑河市愛輝區(qū)農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊，黑龍江 黑河 164300)

0 引言

無人駕駛飛機簡稱無人機(UVA)，是指利用無線電遙控設備和自備程序控制操縱飛機，常用于執(zhí)行一些危險或復雜任務[1-2]，可以分為民用無人機與軍用無人機，目前在農(nóng)業(yè)、植保、微型自拍、快遞運輸、災難救援、空間檢測、測繪及新聞報道等方面進行了廣泛應用。

隨著無人機技術(shù)的逐漸發(fā)展及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，無人機在農(nóng)業(yè)播種、植保、病蟲害預防、農(nóng)作物長勢監(jiān)測及作物產(chǎn)量預測等方面具有眾多優(yōu)勢，與智能化檢測設備及相關人工智能算法結(jié)合，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)智能化進程，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保障我國糧食安全，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進展[3-5]。

1 無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領域的應用現(xiàn)狀及優(yōu)勢

隨著無人機技術(shù)的逐漸發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及精準作業(yè)中得到了廣泛應用。農(nóng)業(yè)無人機主要包括固定翼無人機和多旋翼無人機，結(jié)合田間信息采集平臺及多光譜成像系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)無人機遙感技術(shù)、農(nóng)作物長勢監(jiān)測、精準變量施肥技術(shù)、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化、大田及果園施肥技術(shù)、作物產(chǎn)量評估等，可以彌補傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測設備作業(yè)范圍小，實時監(jiān)測困難等問題，替代傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感監(jiān)測，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入，可以實時獲取土壤養(yǎng)分、水分及其他資源，通過科學數(shù)據(jù)解析，進行變量施肥，科學施藥，成為目前支撐農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要技術(shù)之一。

1.1 在農(nóng)業(yè)播種工作中的應用

無人機播種技術(shù)(圖1)是近幾年興起的一項空中播種技術(shù)，可以將種子及其生長所需的全部營養(yǎng)素一起播入土壤，該項技術(shù)可以提高種子對營養(yǎng)成分的吸收率，如果該技術(shù)可以實現(xiàn)大面積推廣應用可以降低農(nóng)業(yè)播種成本88%左右，提高種子成活率45%左右，同時也減少了其他資源的消耗與過度開發(fā)。但是該技術(shù)體系尚未完善，仍處于實驗階段[6-8]。

圖1 無人機播種工作示意圖

1.2 在農(nóng)業(yè)病蟲害防治工作中的應用

農(nóng)業(yè)病蟲害評估及預測是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎保障條件之一?；跓o人機搭載相關可視化紅外線及近紅外線發(fā)射裝備，對農(nóng)田作物進行大面積勘察，可以準確、及時地分析農(nóng)作物反射的綠光及近紅外光的數(shù)量并繪制相應的多光譜圖像來分析農(nóng)作物的變化與健康狀況，并根據(jù)無人機勘察結(jié)果及數(shù)據(jù)做出有效的防治手段，保障農(nóng)作物生長，及時發(fā)現(xiàn)病蟲害的發(fā)生，防止田間病蟲害的大面積蔓延，從而保證糧食產(chǎn)量，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

在采用藥劑噴灑作業(yè)進行病蟲害防治時，無人機通過裝載超聲波、雷達或其他先進的噴灑系統(tǒng)進行大田作業(yè)，利用無人機進行病蟲害防治時，結(jié)合自主識別系統(tǒng)可以根據(jù)地理地形環(huán)境不斷調(diào)整飛行高度、姿態(tài)躲避障礙物，并且依靠先進的噴灑系統(tǒng)實現(xiàn)精準、均勻噴灑作業(yè)，可以提高農(nóng)藥使用效率，減輕植保帶來的生態(tài)環(huán)境污染，減少人力消耗。目前常用的無人機為JF01-10型六旋翼及八旋翼，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1、表2所示[9-10]。

表1 六旋翼JF01-10技術(shù)參數(shù)

表2 八旋翼JF01-10技術(shù)參數(shù)

1.3 在農(nóng)作物長勢監(jiān)測工作中的應用

目前，隨著農(nóng)業(yè)種植面積的逐漸擴大，需要對大面積農(nóng)作物監(jiān)控，另一方面，伴隨著全球氣溫上升，全球氣溫變化無常，對作物的管理與維護變得更加困難，傳統(tǒng)農(nóng)戶多主要依靠人工或衛(wèi)星圖像輔助進行農(nóng)作物長勢的監(jiān)控，但是需要支付大量的費用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本較高，其監(jiān)控精準度也難以實時準確的進行農(nóng)作物長勢的監(jiān)控。隨著無人機技術(shù)的逐漸推廣應用，利用無人機搭載實時影響系統(tǒng)可以對大面積農(nóng)作物長勢或林木進行監(jiān)控，且無人機購買或租賃成本較低，并且有專業(yè)人員進行操作與指導，在提高農(nóng)作物長勢監(jiān)測精度的基礎上減少成本投入。此外，無人機還可以通過搭載高光譜、多光譜、熱傳感器及多種地幔信息采集平臺(UGV)等設備，采用總線連接的方式實現(xiàn)對農(nóng)田作物營養(yǎng)狀況及長勢的監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，還可以進行農(nóng)田區(qū)域植被指數(shù)的計算與分析，通過農(nóng)作物自身散發(fā)的熱量來分析農(nóng)作物生長密度及健康情況?；诳梢姽馀c多光譜圖像遙感技術(shù)還可實現(xiàn)田間雜草的識別與處理。

1.4 在農(nóng)作物產(chǎn)量預測中的應用

基于無人機遙感技術(shù)進行農(nóng)作物產(chǎn)量預測技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，目前常見的無人機進行作物產(chǎn)量預測方法主要是利用時間序列無人機RGB和各項作物領域收集的天氣數(shù)據(jù)，利用RGB時間序列數(shù)據(jù)評估作物產(chǎn)量。常見的應用于作物產(chǎn)量的神經(jīng)網(wǎng)絡模型主要包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN)和長短時記憶網(wǎng)絡(LSTM)作為空間和時間基礎架構(gòu)，實現(xiàn)各類作物產(chǎn)量的預測。

1.5 無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領域的應用優(yōu)勢

1.5.1 安全性高

利用無人機進行農(nóng)業(yè)植保時，與傳統(tǒng)植保技術(shù)相比，可以保護施藥人的身體安全與健康，避免農(nóng)業(yè)工作人員受到藥物的侵害，防止人員出現(xiàn)農(nóng)藥中毒及田間中暑等現(xiàn)象發(fā)生。無人機在空中可以實現(xiàn)定點噴灑農(nóng)藥，植保無人機旋翼產(chǎn)生的強大氣流可以直接將藥液壓迫作用至作物各個生長領域，在保證農(nóng)藥作業(yè)范圍的同時保護生態(tài)環(huán)境。

無人機飛行較為安全，無人機可以在空中懸停，可以定點飛行，飛行平穩(wěn)，安全性能較為可靠。

1.5.2 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率

利用無人機進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，作業(yè)效率高，每分鐘可以噴灑作物面積超過0.13 hm2，平均一天一架無人機可以作業(yè)面積超過40 hm2，等同于50～100個人的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工效，極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，解放勞動力。利用無人機進行施藥可以精準作業(yè)，貼近作物1 m以內(nèi)施藥，藥劑霧化后在旋翼的作用下穿透力較強，霧滴飄逸少，霧滴均勻，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率30%以上，在使用超低容量施藥技術(shù)時僅需400～500 mL·(667 m2)-1藥劑。

1.5.3 操作簡單

進行無人機操作培訓時，沒有基礎的工作人員僅僅需要10～15 d技術(shù)培訓，即可學會無人機的飛行操作及日常維護工作，操作簡單、靈活、方便，且無人機加藥、停飛、換電池較為方便，幾分鐘即可完成電池及其他零部件的更換與安裝，對操作人員較為友好便捷。

2 無人機技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的問題

2.1 無人機播種不成壟

目前，利用無人機播種主要是進行作物撒播，以水稻播種為例，播種為撒播，沒有成行成壟，導致田間空氣流通性比較差，水稻相關病蟲害發(fā)生概率提升，尤其是稻瘟病的發(fā)生概率，因此，未來應該模擬地面精準的穴播。

2.2 果園病蟲害防治效果較差

由于果園大部分病蟲害發(fā)生在葉面的背面，傳統(tǒng)無人機植保對病蟲害防治效果較差，且無人機飛行高度越高，受風速、氣流影響較大，藥劑霧滴隨風飄灑存在安全隱患。未來應該加強關于無人機植保霧滴飄移規(guī)律的影響。

3 無人機技術(shù)未來的發(fā)展方向

現(xiàn)階段，由于產(chǎn)量、技術(shù)、價格、操作、載重等綜合因素，農(nóng)業(yè)無人機的市場滲透率并不高，相較于國外超過50%的滲透率，我國還不到兩位數(shù)，差距非常明顯。在此背景下，未來我國需要加強無人機技術(shù)創(chuàng)新升級，推動功能多樣化發(fā)展，簡化操作流程，提升載重能力，擴大產(chǎn)品產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升我國無人機技術(shù)的發(fā)展及市場競爭力。

3.1 健全無人機配套設施

農(nóng)業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)的成熟發(fā)展，除了無人機本體和各種軟硬件應用外，后續(xù)配套設施也至關重要，比如人才、維修、保險等。近期，黑龍江地區(qū)用戶發(fā)布了關于農(nóng)業(yè)無人機掉落農(nóng)田的視頻，相關用戶反映一些無人機在使用中涉及墜機、迫降等多種問題與情況。未來，我國要加強完善無人機服務網(wǎng)絡，加速推動無人機后服務市場建設，通過鼓勵無人機人才培訓市場、無人機維修市場、無人機定責保險市場等的不斷發(fā)展，進而推動無人機的長足發(fā)展。

3.2 提升智能化建設水平

隨著無人機產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速發(fā)展，無人機系統(tǒng)不斷更新迭代成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。未來，隨著智能化、信息化需求不斷發(fā)展，無人機應該向綜合集成化、高度智能化、機身隱身化及高空、高速、長航時方向發(fā)展，實現(xiàn)智能自主能力增強、任務效率更高、單次任務半徑更大和信息獲取更加準確等諸多性能特征。

3.3 健全無人機管理體系

目前，由于無人機黑飛現(xiàn)象頻發(fā)引起的無人機擾航、隱私竊取、傷人等事件，在農(nóng)業(yè)無人機應用上，各種亂象也層出不窮，基于此我國還需加強標準規(guī)范建設。一方面，通過政策法規(guī)的出臺，完善無人機法治圍欄，減少無人機濫用亂用，保障個人與社會安全；另一方面，建立相關產(chǎn)品、行業(yè)標準，提升產(chǎn)品質(zhì)量、規(guī)范行業(yè)發(fā)展，避免上述問題的發(fā)生。

4 結(jié)論

隨著無人機技術(shù)的逐漸發(fā)展，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的生產(chǎn)效益與服務，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與安全性能，但是目前存在無人機播種作業(yè)不成壟、果園病蟲害防止效果較差等問題，針對以上問題，本研究提出未來應該在提升無人機飛行性能的同時健全無人機配套設施，提升無人機智能化建設水平與管理體系，為無人機在農(nóng)業(yè)領域的應用提供技術(shù)支撐。