無人機技術在農業領域的應用研究

趙 宇

(黑河市愛輝區農業綜合行政執法大隊，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，目前在農業、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。

隨著無人機技術的逐漸發展及農業現代化的發展，無人機在農業播種、植保、病蟲害預防、農作物長勢監測及作物產量預測等方面具有眾多優勢，與智能化檢測設備及相關人工智能算法結合，實現了農業智能化進程，提升農業生產效率，保障我國糧食安全，加快農業現代化進展[3-5]。

1 無人機技術在農業領域的應用現狀及優勢

隨著無人機技術的逐漸發展，其在農業生產及精準作業中得到了廣泛應用。農業無人機主要包括固定翼無人機和多旋翼無人機，結合田間信息采集平臺及多光譜成像系統，可以實現農業無人機遙感技術、農作物長勢監測、精準變量施肥技術、作業參數優化、大田及果園施肥技術、作物產量評估等，可以彌補傳統農業監測設備作業范圍小，實時監測困難等問題，替代傳統衛星遙感監測，減少農業生產投入，可以實時獲取土壤養分、水分及其他資源，通過科學數據解析，進行變量施肥，科學施藥，成為目前支撐農業現代化發展的重要技術之一。

1.1 在農業播種工作中的應用

無人機播種技術(圖1)是近幾年興起的一項空中播種技術，可以將種子及其生長所需的全部營養素一起播入土壤，該項技術可以提高種子對營養成分的吸收率，如果該技術可以實現大面積推廣應用可以降低農業播種成本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。但是該技術體系尚未完善，仍處于實驗階段[6-8]。

圖1 無人機播種工作示意圖

1.2 在農業病蟲害防治工作中的應用

農業病蟲害評估及預測是實現優質農業發展的基礎保障條件之一。基于無人機搭載相關可視化紅外線及近紅外線發射裝備，對農田作物進行大面積勘察，可以準確、及時地分析農作物反射的綠光及近紅外光的數量并繪制相應的多光譜圖像來分析農作物的變化與健康狀況，并根據無人機勘察結果及數據做出有效的防治手段，保障農作物生長，及時發現病蟲害的發生，防止田間病蟲害的大面積蔓延，從而保證糧食產量，提升農業生產效率。

在采用藥劑噴灑作業進行病蟲害防治時，無人機通過裝載超聲波、雷達或其他先進的噴灑系統進行大田作業，利用無人機進行病蟲害防治時，結合自主識別系統可以根據地理地形環境不斷調整飛行高度、姿態躲避障礙物，并且依靠先進的噴灑系統實現精準、均勻噴灑作業，可以提高農藥使用效率，減輕植保帶來的生態環境污染，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，其主要結構參數如表1、表2所示[9-10]。

表1 六旋翼JF01-10技術參數

表2 八旋翼JF01-10技術參數

1.3 在農作物長勢監測工作中的應用

目前，隨著農業種植面積的逐漸擴大，需要對大面積農作物監控，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，傳統農戶多主要依靠人工或衛星圖像輔助進行農作物長勢的監控，但是需要支付大量的費用，農業生產成本較高，其監控精準度也難以實時準確的進行農作物長勢的監控。隨著無人機技術的逐漸推廣應用，利用無人機搭載實時影響系統可以對大面積農作物長勢或林木進行監控，且無人機購買或租賃成本較低，并且有專業人員進行操作與指導，在提高農作物長勢監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對農田作物營養狀況及長勢的監測，實現數據實時傳輸，還可以進行農田區域植被指數的計算與分析，通過農作物自身散發的熱量來分析農作物生長密度及健康情況。基于可見光與多光譜圖像遙感技術還可實現田間雜草的識別與處理。

1.4 在農作物產量預測中的應用

基于無人機遙感技術進行農作物產量預測技術正在蓬勃發展，目前常見的無人機進行作物產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據，利用RGB時間序列數據評估作物產量。常見的應用于作物產量的神經網絡模型主要包括卷積神經網絡(CNN)和長短時記憶網絡(LSTM)作為空間和時間基礎架構，實現各類作物產量的預測。

1.5 無人機技術在農業領域的應用優勢

1.5.1 安全性高

利用無人機進行農業植保時，與傳統植保技術相比，可以保護施藥人的身體安全與健康，避免農業工作人員受到藥物的侵害，防止人員出現農藥中毒及田間中暑等現象發生。無人機在空中可以實現定點噴灑農藥，植保無人機旋翼產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，在保證農藥作業范圍的同時保護生態環境。

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，安全性能較為可靠。

1.5.2 提高農業生產效率

利用無人機進行農業生產，作業效率高，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面積超過40 hm2，等同于50～100個人的農業生產工效，極大地提高農業生產效率，解放勞動力。利用無人機進行施藥可以精準作業，貼近作物1 m以內施藥，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，提高農業生產效率30%以上，在使用超低容量施藥技術時僅需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 無人機技術在農業生產中存在的問題

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，水稻相關病蟲害發生概率提升，尤其是稻瘟病的發生概率，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生在葉面的背面，傳統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律的影響。

3 無人機技術未來的發展方向

現階段，由于產量、技術、價格、操作、載重等綜合因素，農業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，差距非常明顯。在此背景下，未來我國需要加強無人機技術創新升級，推動功能多樣化發展，簡化操作流程，提升載重能力，擴大產品產量，提高產品質量，提升我國無人機技術的發展及市場競爭力。

3.1 健全無人機配套設施

農業無人機產業的成熟發展，除了無人機本體和各種軟硬件應用外，后續配套設施也至關重要，比如人才、維修、保險等。近期，黑龍江地區用戶發布了關于農業無人機掉落農田的視頻，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展，進而推動無人機的長足發展。

3.2 提升智能化建設水平

隨著無人機產業繼續高速發展，無人機系統不斷更新迭代成為產業發展的必然趨勢。未來，隨著智能化、信息化需求不斷發展，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、長航時方向發展，實現智能自主能力增強、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，由于無人機黑飛現象頻發引起的無人機擾航、隱私竊取、傷人等事件，在農業無人機應用上，各種亂象也層出不窮，基于此我國還需加強標準規范建設。一方面，通過政策法規的出臺，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，建立相關產品、行業標準，提升產品質量、規范行業發展，避免上述問題的發生。

4 結論

隨著無人機技術的逐漸發展，給農業生產帶來了巨大的生產效益與服務，提升農業生產效率與安全性能，但是目前存在無人機播種作業不成壟、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，為無人機在農業領域的應用提供技術支撐。