無人機技術在農業領域的應用

劉書佳，吳彥睿，王方方

(長春市九臺區農業機械化學校，長春 130500)

0 引言

無人機(UAV)，是指利用遙感設備及程序控制裝置運行的不載人飛機，按照應用領域可以劃分為軍用無人機及民用無人機，其中，民用無人機在航拍、農業保護、災難救援、監測及救災等方面具有重要的作用，可以適用于復雜的工作環境及執行危險任務[1]。

無人機在農業生產中應用起步較早，最初是進行大面積農田及森林的航空植保，隨著后期無人機技術的逐步發展，目前在農業安全、作物產量評估、病蟲害預警等方面發揮出不可替代的優勢[2-3]。本研究首先對國內外無人機技術進行論述，明確無人機技術在我國農業生產中的主要應用范圍及應用優勢，針對目前農用無人機技術存在的主要問題及限制條件進行分析，提出未來我國無人機技術的主要發展方向。

1 國內外農用無人機發展現狀

1.1 國外農用無人機發展情況

國外科學技術及農業生產較為先進，在無人機研究方面起步較早。其中，以德國研究起步最早，德國在20世紀開始使用飛機進行大面積林木的病蟲害防治藥劑的噴灑，并且采用飛機噴灑具有良好的防治效果[4]，之后，德國就一直使用飛機進行作物的病蟲害防治。在同一時期，美國及俄羅斯也開始使用飛機進行病蟲害的防治及研究，由于俄羅斯及美國農業多為大型農場，農業生產面積較為集中，因此采用飛機進行植保可以取得良好的作業效果，并逐步研制小型無人機植保機械。日本耕地面積小，人均耕地面積少，主要以水稻種植為主，農田標準化程度高，但是地塊面積較小，不適合像美國、俄羅斯使用大型噴藥機進行農藥噴灑與病蟲害防治，在此技術基礎上，基于日本農業發展現狀，研發小型無人駕駛植保機械進行農藥噴灑與病蟲害防治。在20世紀80年代日本就研制出小型無人駕駛噴粉機，一次可以攜帶20 kg的農藥進行航空防治[5]。截至2019年，日本已經自主研發相關航空質保機械共3 120架，利用航空植保進行病蟲害防治的農田面積超過167萬hm2，一躍成為世界航空植保第一大發達國家。

歐洲地區也快速進行相關農用無人機的研制與使用，并且提高無人機智能化水平，同時相繼成立多家航空植保機械企業。目前，全球無人機生產制造商在市場上的占比份額如圖1所示。但是21世紀以來，隨著歐洲部分國家對農藥使用政策的頒布，為了減少航空領域的生態環境污染，逐漸減少了對農用無人機的使用。

1.2 我國農用無人機技術發展現狀

我國航空植保技術起步研究時間較晚，1995年，我國首次從日本引入航空植保機械進行蝗蟲防治工作，主要是以黑龍江與新疆為主，防治目標主要是農作物及林木的病蟲害防治。在21世紀初，我國農業部提出明確要求，要加強航空植保機械的研究與發展，并對無人機植保機械的購買提供購置補貼。截至2021年，我國無人機使用推廣輻射面積超過0.75億hm2，農用無人機價格逐漸下降，租賃價格也在降低，提高了農用無人機的發展與應用范圍。目前，我國各個地區都開始廣泛使用航空植保進行病蟲害防治、農業預警、作物產量評估及農業環境監測。

2 農用無人機的主要應用范圍

2.1 航空植保

植保技術包括人工植保和植保機械。人工進行植保主要是依靠人工通過一定的噴灑機械在田間進行行走噴灑。植保機械主要分為田間植保機械與航空植保。田間植保機械分為自走式與背負式，工作效率低，尤其是在高大的農作物或者林木植保中，無法進行有效噴施。隨著無人機的逐漸發展，航空植保開始逐漸應用。航空植保是指利用無人機攜帶相關藥劑進行大面積病蟲害防治與除草，可以用于大面積農作物種植，實現噴藥、噴粉機超微量配藥作業，具有防治效果好、工作效率高、使用成本低等優勢。目前，無人機植保行業迅速發展，截至2021年銷售量可達7.2萬臺，使用人次超過11萬次，累計作業面積超過0.8億hm2。但是在農藥噴灑過程中，由于無人機噴灑的霧滴較高，容易受到降雨、風速、大氣壓力等環境因素的影響，因此，會使農藥霧滴產生偏移，降低了農藥使用效率及病蟲害防止效果。針對以上問題，我國相關學者在2020年首次提出了“無人機噴藥接觸角”的概念，實現無人機噴藥時的降準分析與定位，減少農藥損失與農藥霧滴偏移，目前該技術仍處于實驗室階段。

2.2 作物產量評估

對作物產量進行合理預測對于保障我國糧食安全具有重要意義。目前，使用無人機航拍技術，結合圖像識別技術與神經網絡預測模型對作物產量進行預測應用較為廣泛。首先，通過無人機與高速攝像機、數碼相機等獲取作物航拍圖像，采用高光譜相繼對作物冠層(如葉面積指數、生物量)、長勢、土壤、氣候等進行拍攝分析，基于人工神經網絡模型，如BP(Back Propagation)神經網絡等對作物產量進行預測，評估結果對于作物生產的整體管理措施調整及決策具有重要的指導意義。

2.3 農業環境監測

近年來，隨著社會的發展及工業生產的逐步擴大，生態環境污染問題日益突出，因此，環境監測與污染治理工作是農業生產及社會穩定的重要條件。隨著無人機技術的不斷進步，在農田環境檢測等方面起到了重要作用。對于農業生態區域來說，傳統的人工檢測及測繪具有任務量重、工作效率低等問題，面積較大也給人工測繪帶來了巨大的挑戰。采用無人機技術對農業生態區域進行遙感影像的獲取，可以提供農業生態環境全面高效的監測數據，從而可以使研究人員掌握不同農業生態區域的土壤、水質及氣候條件，掌握不同生態區域的污染程度，同時結合遙感技術、光譜分析儀、通訊技術及GPS定位技術可以智能化、自動化、高效、快速地獲取不同地區的農業生產地貌，對于農業合理布局及環境監測具有重要意義。

3 發展趨勢

3.1 傳感器融合技術

傳統的單一傳感器無法滿足復雜的工作環境，因此在無人機的使用過程中，必須采用多種傳感器共同作用進行數據測量與處理，工作原理如圖2所示。多種傳感器進行數據融合的處理方式可以在復雜的農業生產環境中，提高無人機跟蹤、識別功能，在觀測領域上覆蓋范圍更加廣泛，多種傳感器融合使用過程中，可以降低單一傳感器在測量過程中所造成的的誤差，提高穩定性與精確度。我國對于多種傳感器數據融合技術研究起步較晚，目前主要應用于各種先進的導彈、衛星及大型無人機載體等，關于多傳感器無人機控制算法類型如表1所示。未來在進行農業無人機研制及自動控制等方面應該使用多種傳感器對各個部分進行控制，使無人機在復雜的農業生產環境中可以獲取更加精準的數據信息，提高系統的控制精度，保證無人機在使用過程中具有較高的穩定性與準確性。

表1 多傳感器融合算法類型及分析

圖2 多傳感器數據融合流程圖

3.2 無人機視覺應用技術

無人機視覺技術可以賦予無人機一定的觀察力，無人機由傳統的大面積植保逐漸轉變為一種具有視覺感知及自動識別功能的機器。目前，一些國外發達國家已經對無人機安裝激光雷達、多角度攝像機、超聲波傳感器等，借助無人機在航拍過程中獲取周邊環境圖像，與人工智能控制及神經網絡技術相互結合，達到自動識別的目的。例如，大面積病蟲害的預警與識別，常見的稻飛虱、稻縱卷葉螟、稻瘟病等都可以在短時間內進行判別與預警，進而利用無人機植保技術進行特定地區的病蟲害防治，高效、及時地控制病蟲害的發生與蔓延。

3.3 培養專業無人機操作技術人員

目前，農用無人機專業操作人員專業知識及相關操作技術不完善，對于作業效率與人員安全會產生一定的影響，因此，應該加強無人機專業操作人員的技術培訓，在保證農田作業質量的同時，提高工作效率，降低由于操作失誤造成的經濟損失及人員安全問題。

3.4 加強農用無人機的保養與維修技術

農用無人機屬于農業機械的重要組成部分，應該按照農業機械定期保養與維護技術進行檢查。在無人機使用結束后，對各個關鍵零部件進行檢查，檢查是否有連接件產生松動，檢查是否有零件脫落和磨損，對于磨損和壞掉的零部件進行及時更換。檢查完畢后，將無人機存放在遮陽避雨的位置進行保存并進行定期保養，可以延長無人機的使用壽命。

4 結語

無人機技術與傳統人工駕駛飛機相比，可以完成一些復雜環境下的航空任務，在農業植保、監控、救災等方面發揮了不可替代的優勢。在農業生產中，無人機集成高速攝像頭、光譜分析儀及各類傳感器等對大面積農田進行掃描評估，在農產品風險評估、病蟲害預警及航空植保等方面具有不可替代的地位，對于幫助農戶提高農業生產水平、降低農業風險與損失具有重要意義，未來無人機的發展還會在城市規劃、物流派送、治安巡邏、工程建設、城市執法及管理等方面發揮重要的意義。