無人機在精準農業中的應用現狀分析

唐永海

(東豐縣黃河鎮綜合服務中心(農機站)，吉林 東豐 136321)

0 引言

近年來隨著科技快速發展，農業機械裝備已經發生了快速的改變，尤其是隨著農用無人機技術的應用與發展，給農業生產中病蟲害防治、精準作業等提供了巨大的幫助，農用無人機具有結構簡單、成本較低、操控方便等優勢[1-3]，在農業生產中主要進行植保飛防與地面遙感等應用，可以完成航空植保、種子播撒、肥料噴灑等作業，在農業生產中得到了更加廣闊的應用。

農用無人機在農業生產過程中，可以攜帶高清攝像裝備執行航空拍攝任務，彌補傳統農業生產中遙感衛星測量精度較低的問題，在農田環境監測、病蟲害分析、作物長勢分析等方面具有顯著優勢，農業生產者可以借助無人機進行低空航拍及時獲得農作物長勢情況，及時調整農業生產措施，保證農作物高產、穩產[4-5]。

1 農用無人機優點

1.1 適應性及通用性較強

農用無人機可以在環境惡劣、污染較為嚴重的區域執行生產任務，可以替代人工進行繁重、危險的工作任務，隨著農業集約化、大型化發展，農業耕地逐漸集中，當大面積耕地出現病蟲害，無法依靠人力進行快速防治，而使用農業植保無人機可以在最短的時間內解決大面積病蟲害的問題，提高作業效率，對于實現糧食高產、穩產具有重要意義。

1.2 體積小，操作靈活，應用較為安全

植保無人機操作簡單，起降方便，且對操作人員的培訓周期短，對人員專業知識要求不高，利用植保無人機進行防治工作，可以保持人員遠離作業區域，保證工作人員的身體健康，還可以減少農藥殘留造成的土壤、水流環境污染等問題，對實現精準農業發展、推動現代化農業進程具有重要意義[6]。

2 精準農業相關概念及發展意義

精準農業又被稱為“精確農業”或“精細農業”，是20世紀80年代末由美國農業科學部門提出的，屬于一種以高新現代管理技術為基礎的農業微觀管理方式，根據不同地區的農作物實際需要進行投入與管理。精準農業是以農業信息技術為支撐，根據農業空間變化，定位、定時、定量地實施一整套現代化農事操作與管理的系統，屬于一種綜合集成的高科技農業應用系統。精準農業主要包括全球定位系統、農田信息采集系統、農業遙感監測系統、農田地理信息管理系統、農業專家管理系統、智能化農機裝備系統、農田環境監測系統、系統集成、網絡化管理系統和培訓系統。

精準農業可以將遙感、地理信息系統、全球定位系統、計算機技術、通訊和網絡技術、自動化技術等高新技術與地理學、農學、生態學、植物生理學、土壤學等基礎學科有機地結合起來，實現在當前農業生產中，對作物耕、種、收、加工、銷售等進行全程模擬、監測、判斷與預測等，從而實現提高農業資源利用效率，降低農業生產成本，改進農業生產方式及生態環境的目的，是實現農業現代化發展的必經之路。

3 無人機在精準農業中的應用

3.1 無人機自主精準降落方法研究

無人機自主精準降落是實現農用無人機精準作業的基礎與必備條件，要實現農用無人機的自主、精準降落，需要在傳統無人機執行平臺的基礎上增加圖像采集裝備及計算機控制系統。通過圖像采集裝備實時采集無人機飛行圖像，基于視覺識別技術實現無人機精準降落與實時定位，主要結構示意圖如圖1所示。

無人機自主精準降落系統的主要工作過程主要分為四個主要步驟，主要工作流程如下。

1)初始化模塊。首先對農用無人機各個模塊進行檢查，確保無人機各個組成部分都能正常工作，檢查無誤后開始無人機操作；

2)無人機起飛。按照無人機操作流程實施無人機飛行任務并執行工作；

3)自主識別與定位。無人機在開始執行飛防任務后，依據高清攝像裝置等捕獲無人機圖像，并通過計算機控制系統進行數據處理與決策，進而實現對無人機飛行器的控制；

4)自主降落。當無人機執行完畢相關工作任務后，開始確定無人機降落點，不斷降低飛行高度，當降落到一定高度時，確保與降落點對齊后進行快速降落，主要工作流程如圖2所示。

圖2 無人機自主精準降落系統工作流程圖

計算機控制系統是無人機精準降落的重要技術之一，是實現農用無人機精準作業的重要保障，其計算機控制核心主要為分層控制，環環相扣，主要控制原理圖入圖3所示。

圖3 無人機精準飛行控制工作原理圖

3.2 無人機遙感下作物長勢監測技術

對農作物實現動態長勢監測，實時調整農業管理措施，是保證糧食高產穩產的重要條件。其中，作物的光合作用及葉綠素含量是保證作物生長發育的重要基礎，直接決定著作物的產量與健康狀態，同時可以反映出作物的營養狀況，是指導農業生產管理措施的重要指標與控制策略。農作物病蟲害是威脅農業生產安全的重要因素之一，也是制約農業發展及糧食產量提高的第一大自然災害，病蟲害一旦發生就會迅速蔓延，導致大面積作物感染發病，會造成糧食減產與經濟損失。因此，高效、快速、科學地獲取作物相關長勢參數及病蟲害檢測模型，對于實現作物精準管理、精準施藥及保障國家糧食安全具有重要意義。基于農業無人機的遙感采集數據系統主要由無人機飛行平臺、各類傳感器技術及地面控制系統組成。無人機飛行平臺主要是搭載無人機飛行的主要載體，以目前常見的無人機飛行平臺DJI-Matric 600 Pro為例進行相關技術參數介紹與分析。該飛行平臺配備傳感器系統及全球衛星導航系統，技術參數如表1所示。常見的飛行器高光譜成像系統采用Nano-Hyperspec，主要技術參數入表2所示。

表1 DJI-Matric 600 Pro 主要技術參數

表2 Nano-Hyperspec高光譜成像系統主要技術參數

3.3 無人機精準變量噴灑控制技術研究

精準農業是未來農業發展的主要方向與目標，在農業生產過程中，傳統農藥噴灑管理方式主要是依據農戶經驗判斷是否進行病蟲害防治及噴灑。另一方面，在進行農藥噴灑過程中，依靠農戶進行噴灑會造成農藥噴灑不均勻，容易造成環境污染，嚴重時還會危害農戶身體健康。采用無人機進行精準農藥噴灑，可以提高農藥噴灑的安全性與可靠性，無人機可以動態調節農藥噴灑藥量，目前常見的無人機精準變量噴灑裝置主要基于PWM控制系統。

4 結論

隨著農用無人機技術的應用與發展，為農業生產中病蟲害防治、精準作業等提供了巨大的幫助。農用無人機具有結構簡單、成本較低、操控方便等優勢，在農業生產中主要進行植保飛防與地面遙感等工作，可以進行航空植保、種子播撒、肥料噴灑等，在農業生產中得到了廣闊的應用，是保證農作物高產、穩產及發展精準農業的重要技術之一。本研究基于無人機相關特點及精準農業的發展特征，系統闡述了目前農用無人機在精準農業中的主要應用范圍，主要包括農用無人機精準降落技術、作物長勢監測技術及精準變量控制技術等研究結果對于推動農用無人機技術在精準農業的發展提供技術參考與理論借鑒。