多軸無人機在農業生產方面的應用

信陽市農業電子技術研究所 劉智 蔡傳成 張志鋒

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多軸無人機在農業生產方面的應用

信陽市農業電子技術研究所 劉智 蔡傳成 張志鋒

近年來，不少國家把多軸（又稱多旋翼）無人機應用在農業生產方面，取得了很好的效果。隨著我國農村農業生產的規模化、專業化、集約化經營管理，用多軸無人機來提高我國的農業生產效率和生產水平顯得尤為重要。多軸無人機是一種結構簡單、操作容易、使用方便、效率高、價低廉的機械，現將多軸無人機在農業生產方面的應用技術介紹如下：

一、多軸無人機的選型

多軸無人機一般有四軸、六軸、八軸、十軸4種，作為農業生產上一般用途的最多選用六軸無人機就可以了。而且驅動軸的多少僅是一方面，關鍵是必須要盡量選用裝有性能完善的“飛控板”的多軸無人機，因為“飛控板”是多軸無人機的“心臟”，完全決定著無人機的操控和使用性能。如裝有KK或FF“飛控板”的四軸無人機，價格相對便宜，但操控有一定的難度，因此應選擇裝有相當于“玉兔”二代“飛控板”的多軸無人機。若能選擇價位稍高一些的，如裝有NAZA或Wookong-M“飛控板”的多軸無人機則更好，因為它支持手機操控和調整飛行參數，內置云臺增穩、精準定位懸停、多種飛行模式和智能控制、熱點環繞、GPS定位、自動導航、失控自動返航等多種完善的功能，操控容易，使用安全、可靠、方便。

二、多軸無人機的具體應用和相關數據庫的建立

（一）多軸無人機在農田科學施肥方面的應用

首先，應建立農作物缺素表征圖譜數據庫。經驗證明，在農作物增產的各項措施中施肥所起的作用為40%～60%。由于高產農作物會不斷地從田地中帶走大量的養分，因此，在整個農作物生長發育過程中隨時都有可能發生某種養分缺乏的現象，必須及時發現及時補充，以免影響農作物的正常生長。由于養分缺乏會使農作物體內的正常代謝發生紊亂，會在農作物原有形態上出現某些特有的異常缺素癥狀。以小麥為例，在小麥生長中缺“氮”時，小麥植株瘦小，葉片短而窄，葉色淡且呈淺綠色或黃綠色，尖端枯死；缺“磷”時，小麥葉色暗綠，葉尖發焦呈紫紅色，葉鞘發紫，葉片無斑點且狹窄；缺“鉀”時，小麥植株呈藍綠色，葉軟下披，下部葉片的葉尖及邊緣枯黃呈火燒狀。另外，小麥在缺鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬、氯微量營養元素時，其植株外部形態都有異常的特殊表現。所以，將農作物植株缺乏某種營養元素時所表現的異常特殊表征，用數字圖譜記錄存貯在數據庫中，這樣當攜帶有圖像采集和發射裝置的多軸無人機在田間空中巡查發現某塊農田中作物群體表征異常時，便可利用多軸無人機的精確定位懸停功能，及時定點懸停，并在懸停垂直位置上，上下調節好最佳觀察高度，進行精確觀察辨認。這時，當多軸無人機采集到的現場作物群體所表現的缺素圖像異常特征和已存入數據庫中的作物缺乏某種營養元素所表現的異常特征經識別（可采用簡便的人工同步識別技術）對照相吻合時，便可根據田塊的編號和坐標位置，有針對性地給缺素田塊的作物添施缺少的營養元素。采用這種先進的多軸無人機作業方式和技術，可真正做到及時、準確、省時、省力、高效和科學節約施肥的目的。

（二）多軸無人機在農作物病蟲害防治方面的應用

農作物病蟲害的發生一般在田間都是由點的發生蔓延到面的危害，即由發生初期的塊狀或片狀的發病（蟲）中心，逐漸侵襲擴大到整個田塊。因此，可根據不同病蟲害的發生時間，利用多軸無人機提前定期在大田上空巡航監視，采用這種居高臨下視野廣的先進監視手段，即使是地面上剛發生不容易被發現的田間疫情，也不會輕易漏掉。對發現的疫情，在及時預測預報的同時，即可立即采取應對措施以有效控制，避免成災。也可以事前收集不同作物病蟲害對不同作物危害現場特征，記錄成數字圖譜貯存在數據庫中，當多軸無人機放飛在田間上空巡航中，一旦發現田間發生的病蟲害危害作物群體特征與數據庫中已存入的某種病蟲害危害作物群體特征對照確認相同時，即可對確認的病蟲害類群采取針對性的防治措施，如用高效多軸無人機噴灑農藥，阻止其蔓延成災。

（三）多軸無人機在農田科學灌溉方面的應用

農作物的生長發育對農田土壤相對濕度的最佳要求是80%，土壤相對濕度降到60%時，即發生輕旱；其相對濕度低于40%時，就發生重旱。一般在農田發生輕旱時就要適當灌溉澆水，在農田土壤濕度達到90%時，就需要曬田。因此，必須隨時隨地了解掌握和調整保持農作物生長最適宜的土壤濕度。利用多軸無人機放飛在田間上空巡視觀察農田土壤不同濕度所呈現的不同顏色變化，即可了解掌握土壤不同濕度墑情的變化情況，這時就需要根據農田土壤的不同濕度所顯現的不同顏色，制作一套數字圖譜存入數據庫中待用，這樣也就可以利用多軸無人機空中取樣所得的信息和已存入數據庫中的信息相識別對照的辦法來解決科學合理灌溉用水的問題。

另外，還可以利用多軸無人機空中觀察農作物因農田缺墑而引起的植株葉片、葉梗和嫩梢發生的凋萎現象作參考，來判斷決定農作物是否需要灌溉澆水，從而達到科學灌溉、節約用水的目的。

三、作業區的規劃

在多軸無人機飛行作業前，應首先草繪一幅作業區內的田塊分布示意圖，圖內應標明每塊田地的大體形狀和面積及種植作物的品種，以及作業區內的池塘、道路、建筑物、林木等一切妨礙多軸無人機飛行作業的障礙物名稱和位置，再根據作業區田塊的自然分布位置對圖上的田塊進行排序編號，將圖上的田塊編號相對應于田塊，用大小適當已編上號的號牌，插在田塊內的適當位置上，這樣便于多軸無人機將采集到的農田信息對號應用，同時也是多軸無人機選擇飛行作業模式的依據。另外，對于面積較大的作業區和相距較遠的成片田塊，可以規劃成若干個作業小區，小區內田塊的編號可在阿拉伯數字田塊編號的前邊冠以A、B、C等符號來區分。

四、飛行作業模式設計

多軸無人機合理的飛行作業模式設計，是保證多軸無人機留空時間的有效利用和提高飛行作業效率的保證。因此，應該根據作業區內田塊的分布和田塊的自然形狀來設計決定飛行作業模式。對于狹長相連的田塊可以采取串聯中線法飛行作業；對于面積較寬、幾塊靠近的田塊，可以采取并聯平行線法飛行作業；0.33hm2以上面積較大的單獨田塊，可以沿田塊中線用“S”形飛行作業；0.33hm2以下面積較小的田塊，應采用中線法或對角線法飛行作業。總之，應根據現場田塊的形狀和分布特點靈活設計飛行作業路線，切記一個原則，飛行模式的設計一定要盡量減少無效功的飛行時間，要盡量提高多軸無人機在有限留空時間內的有效利用率。

五、飛行高度和飛行速度的設定

設定好合適的農田飛行作業高度和速度，是無人機作業效率和作業質量的可靠保證。其設定一般是根據機載相機的像素多少和相應的解像能力來確定最佳飛行高度，像素為1 000萬以上的相機，當農田飛行作業高度設定為30m或50m時，對于鏡頭焦距為35mm，其成像夾角為63°的相機來說，當飛行高度定為30m時，則可以計算出其田間視野帶寬為36.7m，定點懸停的視野面積則為0.11hm2。在同樣的飛行高度下，當相機鏡頭焦距為28mm，對應成像夾角為75°時，相機的視野帶寬則可達到46m，其定點懸停時，其視野面積則可復蓋0.17hm2。在飛行高度為50m，當鏡頭焦距為35mm，其對應成像夾角為63°時，則其視野帶寬即可達到61.28m，在定點懸停時，其地面視野面積則可達到0.29hm2。在50m的高度上，當相機鏡頭焦距為28mm，成像夾角為75°時，則其地面視野帶寬更大，可達76.7m，在定點懸停時其地面視野面積就可復蓋0.47hm2。以上僅為選取作業飛行高度時的參考。總之，在保證多軸無人機空中視察最佳效果的情況下，可以盡量選定較高一點的作業飛行高度，以便提高作業效率。

多軸無人機在田間的作業飛行速度，主要以田間的視察對象和飛行高度來定，總之，其飛行作業速度可在1m～5m/s選定。

六、飛行作業時間安排

在農作物生長季節，飛行作業時間一般以每周升空對農田視察作業1次即可，但對象和時期不同，還必需增加飛行作業次數。如對小麥來說，對其不同生長發育時間在對某種營養元素需求量最大的高峰期內，缺素情況最容易發生，例如小麥在越冬后返青至抽穗期間，營養生長和生殖生長并進，是需氮、磷、鉀營養素最多的時期；拔節、孕穗至開花，氮、磷、鉀三要素占總吸收量的54.9%、81.4%和89.6%；春小麥孕穗以后對磷的需求量在60%以上。根據以上情況，多軸無人機除按規定保證正常升空飛行對農作物的表征變化進行監視外，都必須增加升空觀察作業次數，確保農作物在整個生長期缺素情況發生時得到及時補充。

在農作物病蟲害容易發生的季節，多軸無人機每周升空對農田的監察作業次數也必須增加，在“3天一小旱，10天一大旱”的伏天干旱季節里，多軸無人機的每周升空監查農田墑情作業次數更應該增加，具體增加的作業次數，視具體情況而定。

除上述以外，還必須說明的是：多軸無人機這種科學、高效、機動、靈活的先進新型飛行工具，在農業生產上的很多方面都具有非常廣泛的用途，并能起到意想不到的作用，多軸無人機技術將給農業帶來一場革命。