無人機(jī)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

金禮芬，蒲 建，楊文斌，鄭永航，祝小梅

（1.吉利學(xué)院，成都 641423；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，成都 611130）

傳統(tǒng)的耕作方式在工時(shí)上非常費(fèi)力，并且很多情況下得到的糧食產(chǎn)量和付出的勞動(dòng)不成正比，阻礙了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國農(nóng)業(yè)技術(shù)也在發(fā)展和進(jìn)步，為了提高我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，轉(zhuǎn)換生產(chǎn)模式，政府部門也在一直努力，出臺(tái)了很多相關(guān)的政策。無人機(jī)就是當(dāng)下應(yīng)用比較廣泛的一種耕作和播撒農(nóng)藥的方式。國家大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的生產(chǎn)模式。無人機(jī)主要的作用有耕地面積與邊界測繪、播種，還可以應(yīng)用在病蟲害勘測、物流配送和鄉(xiāng)村電力巡查等方面。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中是起著轉(zhuǎn)型農(nóng)村耕作方式的作用，加速農(nóng)業(yè)文化的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)耗費(fèi)更少的人力物力，獲得更多的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

1 無人機(jī)在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1.1 無人機(jī)在國外農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

無人機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中起到很重要的作用，加快了農(nóng)業(yè)的信息化和科技化，具體體現(xiàn)在無人機(jī)的無人監(jiān)測、信息化農(nóng)業(yè)方面。

農(nóng)田植被數(shù)據(jù)監(jiān)測方面。美國宇航局的Pathfinder-Plus 無人機(jī)早在2002 年就可以實(shí)現(xiàn)1 500 hm2的監(jiān)測范圍，使用其光譜成像儀拍攝耕作畫面，并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，分析、監(jiān)督農(nóng)作物的異常情況，進(jìn)而能夠及時(shí)處理。2013 年José Manuel Pena mail 使用了一種新技術(shù)，對(duì)玉米地的雜草進(jìn)行分析，這種創(chuàng)新的方法就是光譜相機(jī)的使用，其可以生成一個(gè)雜草網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，對(duì)其進(jìn)行分析得到科學(xué)的除草劑使用量。

農(nóng)田土壤分析及規(guī)劃。近些年，國外對(duì)無人機(jī)在土壤監(jiān)測分析中的價(jià)值日益重視。農(nóng)作物種植是比較煩瑣的，需要判斷土壤的狀態(tài)是否適合種植，當(dāng)采用無人機(jī)對(duì)土壤進(jìn)行監(jiān)測。在種植過程中有不可代替的作用。21 世紀(jì)初期，法國學(xué)者Amélie Quiquerez 對(duì)農(nóng)田土壤使用無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，得到了土壤表面的特征結(jié)構(gòu)圖，這個(gè)結(jié)構(gòu)圖可以映射5 cm 空間分辨率下的土壤的狀況。這種方式已經(jīng)應(yīng)用于Burgundy 葡萄園，現(xiàn)在已有近10 年的土壤侵蝕數(shù)據(jù)可用。

農(nóng)田噴灑方面的研究。20 世紀(jì)90 年代，日本開始將遙控直升機(jī)用于果樹、大田作物和蔬菜的農(nóng)藥噴施作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了合理施肥，保證了農(nóng)作物品質(zhì)。自1990 年日本千山公司推出了第一款用于噴灑農(nóng)藥的無人機(jī)之后，由于其尺寸小、作業(yè)靈活和噴灑效果好，極其適應(yīng)日本的農(nóng)業(yè)種植面積小、地塊分散的特點(diǎn)，因此無人機(jī)噴灑作業(yè)已在日本廣泛使用并取得良好效果。研究證明，無人機(jī)噴灑農(nóng)藥具有其他噴灑方式不具備的優(yōu)勢，如液滴霧化程度高、霧滴流場的輸運(yùn)特性及霧滴穿透性好等。

1.2 無人機(jī)在我國農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

近些年，我國也開始在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用無人機(jī)作業(yè)，在農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)賠付、小面積農(nóng)田的農(nóng)藥噴施和農(nóng)情監(jiān)測等方面都取得了一定的進(jìn)展。目前，依據(jù)現(xiàn)有農(nóng)情需求，我國著力發(fā)展低空無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，彌補(bǔ)我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)對(duì)農(nóng)田實(shí)時(shí)監(jiān)測的不足。

在種植農(nóng)作物時(shí)無人機(jī)可以有效監(jiān)測土壤的濕度，這是在農(nóng)業(yè)種植中非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。監(jiān)測土壤濕度時(shí)可以有效避免干旱、農(nóng)作物水澇和判斷農(nóng)作物的長勢。無人機(jī)監(jiān)測土壤濕度有時(shí)效性高、成本低廉和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。可以應(yīng)用在土地面積大、地勢不好的地方。

20 世紀(jì)50 年代，無人機(jī)在空中噴灑方面就有研究和應(yīng)用，可以對(duì)農(nóng)作物和大型森林進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。此外，環(huán)境惡劣地區(qū)同樣適合使用無人機(jī)進(jìn)行噴灑作業(yè)。

2 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)業(yè)監(jiān)測應(yīng)用

無人機(jī)可以在農(nóng)業(yè)中監(jiān)測植被的覆蓋率、病蟲害和土壤的濕度等，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工觀察監(jiān)測。跟傳統(tǒng)的人工觀察監(jiān)測相比，無人機(jī)監(jiān)測準(zhǔn)確度更高，效率更高，可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對(duì)植物的病蟲害、土壤的濕度及時(shí)地進(jìn)行治理和改善。對(duì)作物型表面的研究是近年內(nèi)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。無人機(jī)的航拍結(jié)果，可以一定程度上反映農(nóng)作物的生長情況，根據(jù)農(nóng)作物的生長情況，可以合理預(yù)估農(nóng)作物的產(chǎn)量。對(duì)病蟲害的監(jiān)測可以用到光譜傳感器，健康狀況不同的農(nóng)作物的光譜特征也不同，通過這樣的方式可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不健康的農(nóng)作物，因此可以有效避免農(nóng)作物減產(chǎn)。還可以利用光譜傳感器的特征參數(shù)，對(duì)土壤、水質(zhì)是否被重金屬污染進(jìn)行檢測，對(duì)不同作物的類別進(jìn)行分析后得到不同類別的精準(zhǔn)分類。這些數(shù)據(jù)有利于管理者對(duì)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)管理，提升經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)農(nóng)業(yè)有很大的推動(dòng)。無人機(jī)還可以應(yīng)用在牧群的監(jiān)測方面，這個(gè)主要應(yīng)用的地域?yàn)椴菰Ｄ敛葜饕枪┙o牲畜食用的，如何實(shí)現(xiàn)合理放牧，不至于毀壞草原讓牲畜得到最大程度的喂養(yǎng)，傳統(tǒng)的方法就是由專門放牧的人看著羊群，人為監(jiān)測草原情況。這樣的方式效率低下。可以采用無人機(jī)跟蹤放養(yǎng)的牧群，排查圍欄的情況。在無人機(jī)上裝設(shè)高清熱成像儀和在夜間可以使用的攝影機(jī)，隨時(shí)傳輸監(jiān)測牧群畫面。

2.2 農(nóng)事操作應(yīng)用

無人機(jī)的另外一個(gè)作用就是農(nóng)事操作，使用最多的就是對(duì)農(nóng)藥的噴灑操作。其可以進(jìn)行高空操作、不受地形因素的限制、穩(wěn)定性較好。

采用無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)可以避免天氣變化受到的影響，無論刮風(fēng)下雨還是酷暑寒潮都可以進(jìn)行操作。無人機(jī)非常智能，其可以根據(jù)需要，事先設(shè)定好飛行路線進(jìn)行噴灑作業(yè)，通過紅外光譜傳輸數(shù)據(jù)到系統(tǒng)上，對(duì)噴灑情況及時(shí)分析和改良。無人機(jī)噴灑可以防止與農(nóng)藥直接接觸，不會(huì)對(duì)人體造成傷害，安全可靠、提高生產(chǎn)率。無人噴灑，可以做到均勻分布、節(jié)約用水和用藥，對(duì)環(huán)境非常友好，不會(huì)造成土壤污染。

2.3 節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

當(dāng)下水資源匱乏，我國的農(nóng)業(yè)用水量又大。在大力發(fā)展農(nóng)業(yè)的情況下如何發(fā)展節(jié)約用水技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一大重要事項(xiàng)。節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的重要參數(shù)之一就是土壤的水分監(jiān)測，土壤水分監(jiān)測可以了解土壤的狀況，對(duì)農(nóng)作物的生長作出適當(dāng)評(píng)估，準(zhǔn)確對(duì)農(nóng)作物灌溉方式進(jìn)行分析，有利于農(nóng)作物的生長及節(jié)約用水。傳統(tǒng)的土壤監(jiān)測具有監(jiān)測時(shí)間短、監(jiān)測范圍窄和同時(shí)性較差的缺點(diǎn)。無人機(jī)監(jiān)測就可以解決這些問題，利用微波傳感技術(shù)、近紅外線遙感技術(shù)和遠(yuǎn)紅外遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，可以擴(kuò)大監(jiān)測范圍得到準(zhǔn)確監(jiān)測數(shù)據(jù)。無人機(jī)在監(jiān)測時(shí)可以得到圖像，通過圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確保土壤水分監(jiān)測的合理性。這種監(jiān)測方法成本較低，時(shí)效性和實(shí)用性較好。我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨勢是精準(zhǔn)化和智能化，無人機(jī)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中具有社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是無人機(jī)在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還是較少，需要進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。這對(duì)于我國農(nóng)業(yè)用水的節(jié)約具有非常重要的意義。

2.4 其他方面的應(yīng)用

除了上述的應(yīng)用外，無人機(jī)還可以應(yīng)用在地形檢測、播種、農(nóng)村規(guī)劃和農(nóng)業(yè)物流等方面，無人機(jī)的應(yīng)用是非常廣泛的，未來發(fā)展的潛力也是比較大。

3 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的優(yōu)勢和劣勢

3.1 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的優(yōu)勢

無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括：一是無人機(jī)的效率非常高，其可以不受地勢位置、不受天氣狀況影響，不傷害人員身體健康。可以提高農(nóng)業(yè)作業(yè)的效率，精確度較高，減少勞動(dòng)人員的數(shù)量。無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空中播種，這樣的播種方式是非常高效和有用的，對(duì)農(nóng)業(yè)的改造具有很重要的意義。二是無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，預(yù)先設(shè)計(jì)程序，自動(dòng)播撒、自動(dòng)監(jiān)測等工作，有效推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化管理和生產(chǎn)。三是無人機(jī)可以通過地面控制實(shí)現(xiàn)多功能、全方位的覆蓋當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.2 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的劣勢

無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也存在缺點(diǎn)。一方面遙感技術(shù)是無人機(jī)在作業(yè)中應(yīng)用的手段，但是并不是所有人都會(huì)操作這個(gè)系統(tǒng)，要想使用這個(gè)系統(tǒng)就必須進(jìn)行專業(yè)的學(xué)習(xí)，但是市場上專業(yè)人才短缺。普通農(nóng)民文化知識(shí)比較低，無法操作無人機(jī)，只能去請(qǐng)專業(yè)人員，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。另一方面無人機(jī)不能一直在空中進(jìn)行飛行作業(yè)，其飛行距離和時(shí)間都是有限的，一般飛行時(shí)間在20～30 min，因?yàn)闊o人機(jī)使用的是蓄電池供能，其供能時(shí)間是有限的。在使用無人機(jī)噴灑作業(yè)時(shí)需要將農(nóng)藥、溶液及傳感器裝在無人機(jī)上，這就要求無人機(jī)的載重能力夠好，當(dāng)前這方面還比較欠缺，所以就導(dǎo)致噴灑作業(yè)是有限的，并且還會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力有限。無人機(jī)還會(huì)受到天氣影響，天氣不好會(huì)導(dǎo)致傳入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響管理者分析農(nóng)作物的生長情況。此外，政府與行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)不完善。政府是發(fā)展無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的推動(dòng)者和保障者，出臺(tái)了很多幫扶政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，但是出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)種類很多，有不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，沒有統(tǒng)一的規(guī)定，這樣就導(dǎo)致無人機(jī)在作業(yè)時(shí)分析就不知道到底該遵從哪一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前我國還沒有形成行業(yè)準(zhǔn)入—生產(chǎn)—作業(yè)—環(huán)保檢測—評(píng)價(jià)反饋的標(biāo)準(zhǔn)體系。這些問題都會(huì)影響無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

無人機(jī)的應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用，可以提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、提高栽種效率和監(jiān)測農(nóng)作物生長情況，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，這對(duì)未來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智慧化、自動(dòng)化及信息化都有很大的意義。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用已經(jīng)成為了各個(gè)高校和研究機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。這樣有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、信息化和智慧化的發(fā)展，進(jìn)而提高農(nóng)田的生產(chǎn)。