基于無人機平臺的智慧農業系統研究與應用*

李笑瑜 ，朱 俊 ，楊珍書 ，朱莉凱

（江蘇航空職業技術學院航空工程學院，江蘇 鎮江 212134）

1 基于無人機平臺的智慧農業現狀

隨著科技的不斷進步與創新，農業的發展也逐漸向著數字化、無人化的智慧農業方向轉變。智慧農業是指通過物聯網、大數據、傳感器等技術手段，把信息化技術應用于農業生產中，實現對農業生產全方位、全過程的感知、監測、預測和控制。無人機技術作為一項先進的載體技術，也被廣泛應用于現代農業中，成為一種全新的農業管理手段。基于無人機的智慧農業系統，可以準確、高效地獲取農田信息，實時監測作物的生長狀況，提高作物種植的效率和質量，從而為現代農業注入新的活力，促進了農業的轉型升級[1-2]。

1.1 無人機在智慧農業中的應用優勢

傳統的農業管理方式相對較為耗費時間和精力，相比之下，無人機在農業過程中具有以下優勢[3-4]。

1）高度可控。農業植保無人機具有作業高度低、飄移少、可空中懸停等特點，其飛行高度是可以控制的，可以獲取更多土地及植被信息，有效提高作物管理的效率，如噴灑農藥時旋翼產生的向下氣流有助于增加物料對農作物的穿透性，防治效果好。

2）實時監測。農業植保無人機可以實時監測作物在生長過程中的狀態，提供決策支持，從而優化作物種植的效果。

3）整合數據。農業植保無人機可以通過各種傳感器采集大量的數據，對作物地理信息系統、氣象數據、土地信息等進行整合，為數據分析和預測提供支持。

4）靈活性強。農業植保無人機可以便攜式運輸，可以在農田中隨時啟動，深度覆蓋農業生產鏈的各個環節，從而實現精準的農業服務。

5）安全性高。農業植保無人機可用于監測低海拔農業條件，實現作物保護和輔助授粉以生產種子。農藥施用是最典型的應用之一，效率比手動噴灑更高，并且還避免了手動噴灑中毒的風險。

6）作業效率高，節省藥量。農業植保無人機比傳統的噴灑技術更有效快捷，其旋翼轉動產生向下的空氣流，擾亂作物葉片，使液體更容易滲透進去，農藥用量減少20%以上，并可提供最佳的噴霧效果。在工作效率提高的同時，具有更有效的殺蟲效果。

1.2 無人機在農業中的應用場景

無人機可以有效地提高勞動效率，降低生產成本，促進農業生產的快速轉型與升級，成為農業智能化的重要推動力。基于無人機技術實現的智慧農業模式在各種生產方面都有著非常廣泛的應用，包括養殖業、畜牧業、農業、林業等。

1）農作物生長狀況監測。采用無人機技術實現的智慧農業模式中，農作物生長狀況監測是其最主要的應用場景之一。借助無人機掛載光學鏡頭進行高空拍攝，通過高分辨率的圖像記錄下農田作物的生長情況，包括各農田地塊內植被變化、植被覆蓋度、病蟲害區域等，快速準確掌握作物生長的趨勢和規律。結合影像信息分析，及時獲取農作物的水分、養分等重要信息，為農業生產提供科學的依據，滿足精準灌溉、精準施肥等生產管理要求[5]。

2）農場地形、森林資源調查。在農業生產中，借助無人機技術能夠發揮出其優勢。使用無人機實測和數字化的方法，可以通過提供高分辨率的地圖、地形模型，使現有的農田土壤成分、境內地形優勢、是否適宜農業生產等信息完全顯現；同時，也能夠直觀顯示出道路、河流、建筑、森林等資源信息，為農田的規劃和資源利用提供了可靠數據[6]。

3）植保、作業管理。在農業生產中，需要進行植保，以保證作物的安全生長。采用無人機進行植保，可大大提高作業效率。如將無人機與植保農藥噴霧裝置結合，可實現自動飛行、自動作業、自動充電等多種功能，使植保過程變得更加節約時間和人力成本。此外，通過無人機噴霧，減小了土地污染面積，減少了對作物的傷害，提高了植保效果。

4）土地利用調查。無人機飛行可以快速收集土地類型、植被、土地質量、污染情況等信息，采集數據進行綜合分析后，協助政府及農業企業科學決策，從而制定土地利用政策，為農業生產提供更加有針對性的方案。

2 基于無人機平臺的智慧農業系統

基于無人機平臺的智慧農業系統通常要具備信息感知、數據傳輸、數據分析處理和任務執行等主要功能。信息感知是整個智慧農業系統的基礎，通過各種土壤墑情傳感器、氣象監測傳感器系統等實現監測。可實時獲取農作物生長的環境信息，包含空氣的溫濕度、風向風速、降雨量、光照等，以及土壤的溫度、濕度等，還可以實時監測農作物生長狀況。數據傳輸功能能夠保障整個智慧農業系統通信體系構建，通過4G、5G等無線技術傳輸智能感知子系統所獲取的各種信息[7]。數據分析處理功能主要體現為數據存儲分析、數據可視化顯示、農業生產任務生成等，該功能模塊是整個智慧農業系統的信息終端，可以遠程了解、處理和分析獲取的農作物生長環境的各種信息，進行精準灌溉、灌肥等指導，以數據為基礎建立輔助農業生產管理、作物追蹤溯源、病蟲害遠程監測和農作物生長環境視頻監控等功能，并通過數據管理云平臺以數據、圖片、視頻等形式可視化顯示。任務執行環節是智慧農業系統中的關鍵流程之一，主要利用智能灌溉、精準灌肥的植保無人機和用于農田病蟲害、生長態勢監測的測繪無人機[8]，在收到相應數據后執行相應作業任務。

3 信息感知功能

無人機精準執行農業灌溉、植物保護、農情監測等任務，前端傳感器獲取的有效信息是極為重要的，因此，傳感器是智慧農業系統中的重要組成部分。具有不同特定功能的傳感器組成了感知系統，感知系統可以實時監測作物視頻圖像、大氣溫濕度、光照、風速、風向、雨量、土壤溫濕度、電導率、pH值、土壤墑情等參數。通過對不同監測點信息同步獲取、存儲、動態直觀呈現及管理，為及時灌溉和適量灌溉、作物最佳生長條件改善等提供參考[9]。

1）土壤墑情傳感器。土壤墑情又叫土壤水分，土壤墑情傳感器主要用來測量土壤容積含水量，農業植保領域常用的主要是FDR型傳感器。土壤墑情傳感器通常體積小巧，安裝和維護方便，測量精度較高。通常將監測端控制電路預埋在靠近作物根部的位置，將監測信號傳至控制器，控制器產生相應的決策。

2）氣象數據監測傳感器。該傳感器可以實時、全面監測空氣溫度、濕度、氣壓、風速、風向、雨量、光照強度等數據參數，現在大多采用一體化氣象數據監測傳感器，其內部集成了多個傳感器，可以同時測量、獲取多個氣象數據，并將數據通過有線或無線方式傳輸至數據采集系統，進行存儲、處理和分析。

3）光合和太陽總輻射有效輻射傳感器。光合有效輻射傳感器利用光電感應原理，可用來測量一定光譜范圍的光合有效輻射。光合有效輻射是形成生物量的基本能源，直接影響到植物的生長、發育、產量和質量，通過該子系統可以測定并估算光合有效輻射，有助于估算植物的光合作用，也直接關系到農業產量能否進一步提高。太陽總輻射感知是通過太陽總輻射傳感器來實現數據采集的，測量接收地球平面上輻照度的一級輻射表，主要用來測量一定波長范圍內的太陽總輻射。

4）蟲情監測傳感器。此傳感器可以監測定位蟲害區域、輔助監測農情等，在無人監管的情況下，能自動完成誘蟲、殺蟲作業，為農業生產提供現代化植保服務，滿足各類種植場景的防蟲、治蟲需求。

4 任務執行功能

4.1 農業植保無人機結構組成

農業植保無人機由多旋翼飛行平臺、導航飛控系統、動力系統、地面遙控系統、感知系統、數據通信系統和任務載荷系統組成，其中，執行應用任務的主要是任務載荷系統，包括農藥噴灑系統、種子播撒系統等[10]。

1）噴灑系統。無人機搭載噴灑、彌霧系統通常應用在農業植保任務場景中，目前也會應用于噴灑消毒液、城市綠化養護等場景中。噴灑系統由藥箱、水泵和噴頭組成。無人機行業常見的噴灑系統有三類，即壓力泵與壓力噴頭的組合式、蠕動泵與離心噴頭的組合式、蠕動泵和彌霧噴頭的組合式。

2）播撒系統。近年來，集施藥、播種、撒肥等多功能于一體的農業無人機正在成為智能農機研發新熱點，眼下播撒更是備受農戶關注。播撒系統主要應用在種子播撒、草原草籽補播、固體肥料播撒、魚蝦塘飼料播撒、融雪劑播撒等領域，在地形復雜的漁業、林業領域也有眾多需求場景可待開發。無人機可根據用戶設置，調整播撒的行距和密度分布，結合人工智能算法可實現邊角處的均勻性，完成作業，效率高，可節省大量時間和人力成本，同時兼顧了均勻性、穩定性和靈活多變的播撒設置。播撒系統市面上主要有三類，分別是離心播撒盤式、噴氣風送式、螺旋送料甩盤式。離心式應用離心力將物料甩出；風送式利用高速氣流吹出物料；螺旋送料甩盤式是螺旋送料結合甩盤，也是利用離心力甩出物料。三種撒播方式各有優缺點，目前市面上無人機播撒裝置較多采用第一種離心播撒盤式，簡單實用，但依靠物料自身重力送料，物料潮濕易發生黏滯，使得下料不通暢。

4.2 農業植保無人機選型

以土壤墑情數據為例，當智能感知模塊獲取土壤墑情數據后，通過無線傳輸方式路由給數據分析處理模塊，并形成相應的指令策略，農業植保無人機飛行控制系統接收指令后，經過分析計算，借助導航系統，實現無人機自主航路規劃，打開噴灑系統，完成水分灌溉。

4.3 農情監測無人機選型

本研究的農情監測無人機主要是搭載多光譜成像儀，用于農田測繪、病蟲害監測預警等。多光譜成像儀專門為低空遙感提供精確的多波段光譜數據，主要用于地物分類及半定量遙感。在執行數據獲取任務中，由飛控系統給出觸發指令，多光譜相機五個鏡頭同時記錄同一視場下的影像數據。多光譜影像不僅兼具了彩色影像的色彩信息和紋理信息，而且還具有較為豐富的光譜信息，將每個像素的反射信息按照波長順序串聯起來即形成了對應地物的光譜曲線。通過多光譜成像儀可以對農田生長態勢進行監測、分析，迅速掌握農作物健康狀況，進行生長態勢監測，對蟲害及時預警，便于快速制定決策。

5 結語

綜上所述，無人機是精準農業的重要組成部分，精準農業又是現代農業生產和現代信息科技的有機結合，精準農業的技術水平直接影響著智慧農業的發展速度和質量，在未來的農業發展中，無人機和智慧農業的融合將會賦予農業更多的科技智慧和全新思想。因此，發展無人機信息化管理系統、確定無人機科技創新方向，對于增強智慧農業發展內生動力、奠定智慧農業發展基礎具有一定參考價值。