無人機技術在農業機械自動化中的應用

劉順華 ，王延申

（許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000）

隨著無人機技術的不斷發展，其在農業機械領域中的應用越來越廣泛，如土壤濕度分析、農藥噴灑、農業植保等。為了提升農業機械效率，提高農業作業水平，就需要在農業作業中，利用無人機技術監測農作物的生長情況，監測土壤濕度和農田生態環境，科學施肥施藥，實時采集作物生長數據，通過對數據進行統計和分析，便于農民掌握農作物的實際情況，采取有針對性的措施，以提高農業生產效率，提升農業機械作業的精準度，推動農村經濟的發展。

1 無人機技術概述

無人機是由無線技術進行遠程操作的一種非駕駛飛行器，具有電腦程序操控功能。通常，無人機沒有座艙，但是配備了自動駕駛、程序控制等設備。在地面上，操作人員通過無線電、雷達等設備，實時控制、定位、跟蹤和遙測無人機[1]。無人機的起飛模式有很多種，可以像正常的飛機那樣滑翔，也可以通過火箭和助推裝置捆綁升空，還可以通過母艦將其送上天空進行拋擲飛行，具有高靈活性、高效率性、高安全性、數據可靠性等特點。如今，在農業機械、軍事偵察等方面，無人機已經得到了越來越多的應用。

2 無人機在農業機械中的應用現狀

隨著科技的不斷進步，在農業機械領域中應用無人機技術，可以推進農業機械的自動化發展。目前，在我國北方地區，已廣泛地使用了無人機進行作物噴灑作業，工作效率是傳統農機設備的2 倍，而且具有更好的滲透性和噴灑性[2]。例如，內蒙古河套農業局采用了高分辨率的固定翼型無人機、多旋翼式無人偵察機等設備對5 個實驗區的農田進行了空中拍攝，極大地提高了數據的準確性和科學性。國家環保部門使用了無人機的遙感技術對河道進行了實時監測和空中拍攝，傳輸回來的圖像分辨率高達0.1 m。經過比較和分析，確定了5 個水土流失嚴重的區域，并據此制定了相應的防治措施，極大地提高了科學管理水平[3]。因此，將遙感技術、紅外分析、高分辨率影像分析技術相融合，可以有效監控大片農田區域，并實時監測關鍵區域，提高了對農田數據的綜合分析水平。

3 無人機在農業機械自動化中的優越性

3.1 提高信息的精確度

利用無人機開展農業機械自動化工作，可有效地提高信息的精確度，保證資料的安全性，確保各種農業作業的質量。在農業作業中，無人機技術可以采集到農作物的莖稈高度、莖稈直徑、葉片大小和生長狀況，也可以對土壤溫度、土壤濕度、空氣濕度、空氣成分等數據進行監測。在采集到大量的資料后，這些信息會被傳輸至電腦，由電腦配合其他軟件，以真實的信息為基礎，構建出一幅立體的3D 圖像。相關工作人員既可以對農業生產作業進行實時監控，又可以分析各種信息，從而保證農作物產量和品質達到預期效果。無人機技術的應用使得農業數據采集的速度和質量都得到了極大改善，監測的精確度也得到了極大提升。

3.2 降低費用

在農業機械自動化中采用無人機技術，使得農業作業的費用大為減少。現代化的無人機技術，徹底地顛覆了以往的農業作業方法，提高了農業作業的科學性和準確性。在農業作業中，農作物的噴灑是極其重要的一個環節，以往的噴灑工作都是由傳統的農業機械設備來操作，這樣的操作成本高，操作不便，噴灑效果不佳，而且極易受惡劣氣候的影響，容易給操作人員帶來安全隱患，容易導致噴灑工作的失敗。而采用無人機技術可以有效地減少操作費用和人工費用，在沒有任何約束的情況下，無人機可以進行各種噴灑工作，減輕農民的作業壓力。

3.3 提升工作效率

采用無人機技術，可以減少傳統農業手工作業流程，加快工作速度[4]。同時，各類軟件的使用可以大幅度地減少錯誤，確保數據的準確性，使得數據更加安全有保障。我國地域廣，地形復雜多樣，農田噴灑難易度不同，利用無人機進行噴灑工作，克服了惡劣氣候的影響，同時也能夠保證在不同氣候條件下的工作進度，確保農作物噴灑的順利進行，比起常規的農機設備，無人機的續航時間更為長久，工作效率得到了全面的提升[5]。

3.4 節約用水

據統計，我國目前的農業用水總量已經達到了全國用水總量的65%，并且出現了大量的浪費水資源現象。為了解決當前水資源短缺的問題，國家發展了節水型農業。土壤濕度是一項能反映出地表與大氣之間的熱量、水汽輸送的技術參數，利用它實時分析土壤的儲水量，能預測本區域農業生產和農作物生長的需水量[6]。微型無人機飛行高度低，不受外部干擾。紅外遙感、微波遙感等技術的應用使其在監控度和精確度上得到了提高。利用采集到的土壤影像進行對比和分析，可以得到土壤含水量及主要影響參數，并采取相應的防治對策，從而實現了生態效益與經濟效益雙贏。因此，使用無人機監測土壤濕度，對于推進節水型農業的發展具有十分重大的意義。

4 無人機技術在農業機械自動化中的具體應用

4.1 空中植保

農業機械領域中的植保技術主要有人工植保和植保機械。人工植保是以人為主體，借助某種農機設備在農田里進行步行噴灑。植保機械有田間植保機械和空中植保技術[7]。田間植保機械有兩種：一種是自行行走型，另一種是背負型，這兩種植保方式的工作效率較低，難以實現高效的噴灑。在無人機迅速發展的今天，空中植保技術已得到廣泛運用。空中植保技術是指在無人機上搭載相應農藥，對大范圍作物進行噴灑，實現了噴藥、噴粉機的超微化操作，防治效果好，工作效率高，使用成本低。目前，我國無人機植保業發展很快，根據農業農村部的調查，2021 年全國植保無人機保有量97 931 架，同比增長了39.22%。預計未來我國年飛防作業面積將達到50 億畝次，全國將需要約30 萬架植保無人機。但在農藥噴灑中，由于無人機噴灑量高，容易受到降雨、風速、氣壓等環境因素的干擾，導致噴灑作業的位置發生偏差，降低了農藥使用效率。為了解決上述問題，國內有關專家在2020 年率先將“無人機噴藥接觸角”的概念引入到無人機噴灑作業中，使其準確、科學地進行噴灑，降低了農藥的損耗率[8]。

4.2 評估農作物產量

科學地預測農作物的產量，是保證國家農業生產安全的關鍵。目前，利用無人機技術，將遙感影像技術和神經網絡預測模型相結合，在農作物產量預測方面得到了廣泛的運用。首先在現代化的農業生產中，農作物的種植方式以及種植場所逐漸發生變化，而種植在大棚里的農作物，采用無人機技術進行作業，可監測作物冠層、水分、溫度、土壤以及長勢，以適應農作物的生長要求。接著通過無人機與高速攝像機、數碼相機等獲取作物航拍圖像，再利用電腦技術對大棚的各種數據進行自動化的分析和處理，實現對農作物溫度和光照的智能化調控，基于人工神經網絡模型，如BP（Back Propagation）神經網絡等對農作物產量進行預測，評估結果對于作物生產的整體管理措施調整及決策具有十分關鍵的指導意義。

4.3 監測農業環境

近年來，隨著國家現代化進程的加快，我國生態環境問題日趨嚴重[9]。因此，監測農業環境對農業機械自動化發展起到了十分關鍵的作用。在農業生態監測中，由于傳統的手工監測和繪制任務繁重，工作效率低，且地域龐大，使得手工監測工作難度增大。而利用無人機技術可以輕松獲取農田生態環境的圖像，收集農田生長信息，并結合人工智能等先進算法快速分析影像數據，為農業生態環境的實時監控提供全面、高效的信息。同時，無人機還可以實現農田全方位、多尺度、多頻率的高分辨率多光譜監測。現有的農業監測系統大多使用基于單光譜波段的虛擬信息數據。然而，不同作物在不同的生長期有著不同的光譜響應模式，只有同時獲取多個波段的光譜信息，才能較好地識別和監測作物生長狀態。無人機可以搭載多個傳感器，包括多光譜相機、紅外相機、寬幅相機等，快速獲取地面不同深度、不同波段、不同頻率的圖像數據，實現了多樣化、多光譜、多因素監測，這對農業合理布局及環境監測具有十分重要的意義。

4.4 監測土壤濕度

監測土壤濕度是農業作業的關鍵環節，因為土壤濕度會影響農作物的生長。如果土壤過于干燥，作物可能受到溫度變化、風吹和日曬的影響而無法生長；過度濕潤的土壤會導致作物根部壞死、細菌和真菌繁殖，導致作物死亡。因此，監測土壤濕度可以及時確定作物是否需要更多的水和肥料等管理措施。以往，監測土壤濕度需要人工將傳感器插入土壤中記錄數據，這種方法耗時耗力且數據不夠精準。而有了無人機技術，監測土壤濕度工作變得更加高效和精確。首先，無人機可以利用感測器掃描大面積土地，以獲取土壤濕度的數據。感測器可以向下輻射微波信號來監測土壤濕度，收集數據后即時傳輸到監管站點或移動平臺上，使管理員能夠快速分析數據并及時做出農作物管理決策。其次，在無人機的配備傳感器中，有些可同時測量多個參數，如土質、溫度和濕度。這些傳感器獲取了土壤的多維數據，顯示出不同土壤深度的參數，這些數據可以幫助管理者做出更為準確的作業判斷[10]。

4.5 科學灌溉

灌溉是農業作業的基本操作。將無人機技術引入到農業機械中，可以使農業生產中的排水和灌溉實現自動化。無人機技術用于農業灌溉中，既能提高農業生產和灌溉的效果，又能有效地節省農業用水，從而推進節水型農業的發展。在進行農作物灌溉之前，有關部門可以根據農田面積、農作物的密度和農作物的生長需要，利用無人機技術采集農田數據，并自動地分析農田需水量，然后通過對農機設備的精確控制，科學地對農田進行灌溉。當需要灌溉較大面積的農田時，可以利用多架無人機完成多次任務協同作業，大量降低單次灌溉的成本與時間，并且可以按照農作物的種植狀態，定時定量地進行作業。這樣既能滿足灌溉農業對于大面積水源、氣象條件等的要求，同時也能促進農作物的生長，保證農作物的質量和產量。

5 結語

綜上所述，農業機械自動化的普及，極大地提高了農業的生產效率，減輕了農民的勞動強度。無人機技術的應用給農業機械自動化的發展帶來了極其廣闊的發展前景。無人機技術是農業機械自動化技術中的關鍵技術，具有成本低、效率高以及范圍廣等特點。若將無人機技術應用到農業機械自動化中，不僅能夠推進農業機械的自動化發展，讓農業生產效率得到極大提高，還能夠保障農業生產的標準化和科學化，把人工勞動強度降到最低，減少農業生產成本，以此推動農村經濟的發展。因此，無人機技術在農業機械自動化中起到了十分重要的作用，相關工作人員應予以重視和推廣。