農用無人機在智慧農業中的應用研究*

任震宇，屈 東，唐真真

（綿陽職業技術學院 智能制造學院，四川 綿陽 621000）

智慧農業管理是把物聯網信息技術運用在傳統農業管理中，即利用傳感器或者應用軟件、利用移動平臺和個人電腦平臺對農作物實施管理，讓傳統農業更加富有“智慧”。其中智慧農業的主要板塊“農用無人機”憑借其工作高效率省心省力的優勢解決了市場的不同需求，為我國解決農作物病蟲害影響農業種植問題提供了巨大的幫助，緩解了農業對于人力的解放同時也保證了糧食產量的提升，促進了我國傳統農業向現代農業的轉變[1]。不過，雖然農用無人機應用表現出良好的發展態勢，但同樣還存在一些問題，如果不能有效解決這些問題，那么今后農用無人機的發展依然會受到限制[2]。

1 農用無人機的研究現狀

1.1 國內農用無人機發展現狀

我國對農用無人機的研究與開發起步較晚，載人飛機控制和無人機控制的總份額不到2%。這就反映出無人機的前景大有可為。就農業領域來說，電動的農用無人機有眾所周知的極飛，油動的單旋翼農用無人機有漢和、全豐，油動大載重長航時多旋翼農用無人機有深圳常鋒、大疆，據統計僅極飛無人機就已在20萬公頃農田中發揮了重要作用，累計積累了大量的耕地數據和用戶聲譽，是中國領先的農業無人機公司[3]。

1.2 農用無人機分類

市場上銷售的農用無人機有兩類，一類是按動力功率劃分，另一類是按機型結構劃分。

按動力功率分為電動、油動和油電混動農用無人機。電動農用無人機價格相對實惠、易于護養、環保、電池可反復使用，該飛機主要依賴飛控系統，對用戶遙控技術要求更低，因此在市場上大受歡迎[4]。相比之下，油動農用無人機較昂貴，自動化程度較低，易發生故障。對飛手飛行技術、護養技能要求較高且以汽油為燃料，不利于環保。但油動農用無人機卻有載荷大、續航長、單次作業區域遠、抗風穩定性強的優點。隨著目前種植土地的規范化運營管理以及地面飛控系統的逐步完善，所以油電混動農用無人機的優越性也就顯現了出來[5]。

按機型結構可分為單旋翼、固定翼和多旋翼農用無人機。單旋翼無人機的工作面積大[6-7]，能在風中保持平靜姿態，但由于價格高，操作的復雜性不如多旋翼農用無人機受歡迎。固定翼農用無人機廣泛應用于農田信息收集、災情預警、作物成熟度估測等。多旋翼無人機因為自動化程度高、入門門檻極低、成本便宜的優點大殺四方，唯一不足就是抗風穩定性較差且以目前技術而言農藥噴灑效果較差，但依然受人喜歡[8]。農用無人機的分類，如圖1所示。

圖1 農用無人機的分類

2 基于無人機的智慧農業體系

2.1 傳統農作物種植流程

我國的傳統農業多為集約式農業，主要特征為因時因地制宜，精耕細作，以增加耕地利用率、增加單位面積生產為中心，并采用了良種、精耕、細管、多肥等一系列的科技措施，如圖2所示。在傳統農藝研究與生產實踐中，我國傳統農業技術達到了古代世界的最高水準[9]。

圖2 傳統農業種植流程圖

2.2 根據傳統農作物種植流程優化的智慧農業體系

智慧農業也可理解為數字農村+精準農業，是以現代信息技術為手段，運用先進的物聯網、農業智能科技和大數據分析等技術，對農村的農業生產經營活動實施智能管控，進而達到農作物種植精細化、生產管控過程可視化、經營決策自動化[10]。

以下從精耕、良種、細管、保護、豐收五個方面闡述智慧農場系統框架，如圖3所示。

圖3 智慧農業種植流程圖

（1）精耕：農田測繪、田間環境監測、土壤分析與墑情測定、平整地分析。

（2）良種：良種選擇、雜草識別、出苗分析、空穴普查。

（3）細管：植保作業監管、可變追肥、農作物生長監測。

（4）保護：病蟲害監測、野生動物踩踏、夜視追蹤。

（5）豐收：氣候預估、產量預估、產量實測、根據成熟度規劃收割路線。

智慧農業主要包括智慧農業生產、智慧農業管理、智慧農業信息服務等。其形成與當今科學技術發展迅速有關，目前中國智慧農業已處于世界先進水平。

2.3 基于農用無人機的智慧農業終端體系

基于農用無人機的智慧農業終端體系是以智慧農業平臺為總平臺，以衛星定位為基礎，用田間基站，農用無人機，智能農機實時運行數據反饋給智慧農業平臺，進而形成的閉環反饋實時數據更新調整的基于農用無人機的智慧農業體系[11]，如圖4所示。

圖4 基于農用無人機的智慧農業體系架構

3 無人機在智慧農業中的應用

3.1 無人機在遙感監測方面的應用

遙感技術是識別探測目標的技術，是通過目標反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線來感知目標的[12]。無人機遙感技術是在無人機上安裝傳感器，可以迅速掌握土地、資源、環境地形地貌等信息，并進行數據信息的分析處理，最后通過數據建模形成與之匹配的模型的綜合應用技術[13]。無人機遙感系統由硬件、軟件和通訊系統組成。

無人機作為新型的遙感平臺，近年來該技術發展速度很快，應用范圍日益擴大[14]。無人機遙感技術普遍用于糧食作物檢測、農田作物長勢檢測。近年來，無人機遙感技術在農產品營養檢測和糧食產量評測等方面均有重大突破。

3.2 無人機在精準農業方面的應用

無人機在精準農業方面的應用是指通過在無人機上搭載帶有兩個或兩個以上波譜通道的感應器，對農作物實現同步成像的一類遙感技術，它把從目標物上反射輻射的電磁波信號，分為幾個波譜段加以接收并記錄。實現多光譜遙感的主要傳感器是多光譜攝像機，每次拍照都可以產生多個不同光譜的影像[15-16]。

在過去的十年中，無人機（UAV）的發展和迅速崛起標志著遙感技術進入了一個新時代，它提供了前所未有的空間、光譜和時間分辨率數據。精準農業是無人機最有經濟價值的應用領域之一。

3.3 無人機在圖像識別方面的應用

人臉識別、車牌識別、車船監測、目標跟蹤是無人機圖像識別的典型應用，近年來隨著5G技術的更新，無人機識圖也逐漸在各行各業中體現出顯著的優勢。

圖像分離是無人機在識圖方面最基礎的應用，它主要是通過圖像的像素計算特性來對像素進行細分，從而使各個類型的像素分離。基于小波變換的多像素劃分方式，首先對圖像的灰度直方圖進行了小波多尺寸轉換，然后再由大的尺寸系數到較小的尺寸系數，逐步定位出灰度閾值，如圖5所示。

圖5 圖像閾值分割流程圖

無人機在農業識圖中通常是在無人機上搭載高清攝像機，利用多旋翼無人機低空飛行，該相機鏡頭可實現厘米級空間分辨率的技術優勢，可對所抓拍的作物數碼影像紋理、色澤等空間資料特性進行提取解析，可開展農作物葉面積指標測算、不同生長期的長勢評價、農產品辨識等相關研究。

3.4 無人機在農田管理方面的應用

農業生產必須對耕地開展真實、全方位地檢測分析，運用現代科學技術能夠給耕地生產提供真實的農業信息，以此來指導耕作管理，通過對作物進行長勢的精確監測，進行田間精細化管理，通過合理分配農藥肥料來改善農作物的生長質量，利用實時數據從而實現數字化管理種植，如圖6所示。

圖6 智慧農業體系圖

無人機通過攜帶傳感器對地遙感監測及時獲得精準的田間信息，對作物長勢、土地信息、農作物災情等實現有效的動態監控，與衛星遙感監控和地面傳感器監控系統互補共筑空天地的一體的監控系統，形成精準的田間“診斷圖”，并根據田間實地狀況運用到指導田間生產活動中，引導田間生產管理，做到及時對糧食作物進行精準化施肥、施藥和澆水管理。該管理方式打破了傳統農業生產長期處于被動的地位。

3.5 無人機在農田治理方面的應用

據多名野生動物保護專家組成的調查團隊估計，全省每年各地上報野豬致害7000-8000次，毀壞農作物等造成的損失約2.15億元。今年北川、理塘已接連發生野豬傷人事件。針對該事件可在無人機上搭載野生動物提示和驅趕系統用以保護人們的人身安全和保障糧食的產量，同時在無人機上搭載高清相機和各種傳感器以實現對野生保護動物的跟蹤及抓捕。

同時，無人機具有精度高、熱捕獲速率快和反應力敏銳等優點。在無人機上搭載熱成像照相機，用來獲取作物冠層溫度（見表1）。作物冠層溫度，是指作物冠層內不同高度莖、葉表面溫度的平均值，是反映作物生理狀況的主要指標之一。所以，可使用作物冠層溫度來檢測作物是否遭受水分脅迫和病害等不良環境因素的影響，再通過檢測數據分析針對作物長勢合理分配資源。

表1 熱成像相機型號及應用

4 無人機在智慧農業應用中的不足與發展趨勢

4.1 缺點分析

4.1.1 缺少操作員

農業無人機的飛行具有一定危險性和難度，因此農務人員需要進行一定的專業培訓才可以操作無人機，專業飛行人員除了能夠操作無人機，也需掌握農作物的農藥配比和噴灑量等。

4.1.2 續航載荷

在農業作業中大多都是大范圍作業，續航較短、載荷量較小、通信距離較窄等因素使得農業無人機難以推廣。

4.1.3 價格較高

農業無人機相比于普通無人機來說，續航能力載重能力和持續飛行能力更好，機身也需要有抗農藥腐蝕的性能，所以農業無人機的價格會更加昂貴，購買后的無人機還需要保養和維修。

4.1.4 售后問題

農業無人機售后很難得到保障，無人機出現故障，維修成本較高。

4.2 無人機在智慧農業應用中的發展趨勢

隨著社會的發展，農村勞動力短缺，老齡化進程加快，農用無人機技術有望隨著生態環境和食品安全的旺盛需求而發展，越來越多的企業也將參與到航空設備保護領域，農用無人機技術將得到飛速地發展。將來的無人機也將更加智能化、精準化，性能更加優良。

4.2.1 無人機智能化

利用無人機上自帶數據探測處理系統分析農作物的生長發育情況。達到能自行按照植物生長情況進行適量施肥和施藥，為無人機增加實時避讓技術，加強對無人機控制系統的開發，使控制系統智能化簡單化，達到操作人員不需要進行無人機操作的培訓就可以操作使用。

4.2.2 作業精準化

農業無人機的農用效果是其應用主要因素之一，因此未來農用無人機要更加精準、高效地運行，還要實現高速、精準探測，讓使操作人員的工作得到優化。

4.2.3 優化性能

提升蓄電池的容量，增加無人機的使用時間，降低故障率。根據不同作業設置對應模式，強化無人機的噴灑裝置，生產噴灑專用藥劑，防止外部因素導致藥液漂移影響防治效果。

5 結束語

總體而言，平臺體系不完善，飛行穩定性和自動化水平不高，電子傳感器成本過高及無法做到平民化是目前我國農用無人機在智慧農業應用中要面對的主要問題。農用無人機噴施的霧滴、顆粒等游動規律需要更加清楚。施肥、施藥等機載設備的作業控制技術水平也具有很大的提升空間。作物長勢監測和產量估測以經驗模型為主，且模型精確度、穩定性等尚未獲得證實。為克服上述問題，并推動農用無人機在智慧農業中進一步廣泛應用，下列幾個方向將是研究的關鍵。

（1）無人機的個性化與智能化：無人機應具備基本避障應急處理功能，同時可根據用戶的個性化需求提供個性化組裝，讓其不僅只是在農忙時發揮作用，還可達到一機多用的目的。（2）機載傳感器的低成本和輕小型化：從無人機續航和載重方面考慮，在逐步更替的過程中應該做到體積小、通用價格實惠等特點，只有這樣無人機才會在智慧農業中得到普及。（3）機載農機設備的智能化：考慮農機設備在噴藥施肥等方面不能根據當前該區域情況實施適當計量作業，無人機應達到實時處理數據，對農機藥劑肥量用量等根據作業區域特征實時自動調整。（4）不同監測平臺數據的融合與應用：在農業應用中僅用無人機一種探測設備對數據進行收集有一定的局限性，很難準確地判斷作物的具體情況，因此多平臺多數據的整合更有利于農用無人機在智慧農業領域的發展。

中國作為一個農業大國，每年在農業上無論是人力還是物力都是一筆不小的投入，人力物力的消耗、科學技術的更新無不促使著中國小農生產向農業產業化過渡，而以農用無人機為基礎的智慧農業正是將來的大勢所趨。