精準農業中無人機技術應用研究

白雯鵬

（北京農田管家科技有限責任公司，北京市 100000）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，農業生產發展也逐漸向智慧化、精準化發展，在現代化的農業發展過程中，無人機技術的應用便展現出了巨大的優勢，不僅有效降低了人力成本的投入，而且也在農藥施用以及植保等方面發揮出良好的作用，將其有效應用于農業生產過程中能夠在一定程度上減輕農業生產活動對環境所造成的不利影響，顯著提升農業作業質量與效果，因此相關研發單位及工作人員應當加強對于無人機在精準農業中的關鍵技術研發與應用探索力度，不斷優化其性能，進而有效助推精準農業的發展[1]。

1 無人機與精準農業的概念簡析

1.1 農業無人機

無人機作為一種遠程控制類的飛行器，其在飛行過程中不需要專人進行駕駛，而是只需要通過無線遙控設備以及其中安裝的操控程序便能夠完成各項操作指令，將其應用于農業領域中后，與其他生產作業設備相結合后便能夠有效借助熱成像儀器、攝像機以及光譜儀等器材，對農田信息以及作物信息進行高效地收集，并依托相應的計算技術進行科學分析，進而針對性地開展農業作業活動，同時農業無人機能夠在一定范圍內完成部分農事操作，使得農業生產效率得到有效的提升[2]。

1.2 精準農業

精準農業，也稱精細農業或者精確農業，是一種通過高新技術手段進行微觀、細致管理的農業生產發展方式，在精確農業中，農業生產者能夠根據不同地區以及不同的作物特點進行精確化地管理。這一生產管理模式需要具備堅實的信息技術基礎，同時結合現實中農業的客觀空間變化情況，以實現對作物的精準定位、準確定時以及有效定量，進而提升現代農業生產管理與操作的水平，改善農業生產管理方式，提高農業生產管理過程中相關資源的實際利用效率，助推現代化農業的穩健發展。

2 無人機在精準農業生產中的主要應用

2.1 農作物生長監測方面

無人機在現代化農業生產中可應用于對農作物的實際生長情況進行監測，以便為后續的施肥作業提供客觀參考。在農作物的生長過程中，及時進行施肥是保障作物最終產量的重要基礎之一，而作物在各個生長階段中所需要的肥料類別以及所需量等都會存在一定的差別，過量容易發生“燒苗”的情況，而不足則會導致作物的生長質量難以達到最佳，因此如何有效施肥一直廣受農業生產者關注。借助無人機中的圖像設備，農業生產者便能夠對農田中作物的實際生長情況進行有效的信息采集，進而根據作物群體的所展現出的實際情況進行分析，確定當前農作物生長所缺元素，最后根據分析結果進行精準施肥[3]。

2.2 土壤環境監測方面

土壤中水分的含量會對作物的生長產生根本性的影響，因此農業生產者需要對土壤中的水分含量情況進行有效判斷，并根據作物生長習性決定灌溉量以及灌溉次數等。科學的灌溉方案，不僅能夠有效保障作物的生長質量，同時也能夠有效提升水資源的利用效率，相較于傳統農業生產模式中依賴于人工觀察的方式，使用無人機中可見光近紅外光設備，農業從業者便能夠對實際監測到的土壤狀態進行綜合對比與分析，獲得其中的水分含量情況，進而確定科學、適配的灌溉方案，提升農業生產質量。

2.3 病蟲草害防治方面

遙感技術在無人機中進行有效應用后能夠對農田中的病蟲草害情況進行有效的檢測，其主要原因在于無人機在進行航拍時，遙感技術便能夠對農田進行大范圍地覆蓋掃描，進而獲得全面且清晰的攝像資料，有助于農業生產者對農作物的具體生長環境展開觀察，一旦發生病蟲草害也能夠及時發現，并通過針對性較強的措施進行解決。此外，光譜分析儀設備也能夠對植物的葉片光譜反射率進行收集與觀察，并在此基礎上對作物是否患病、患病類型以及患病程度是否嚴重等進行較為準確地判斷，在分析出結果后，便能夠及時采取有效的藥物治療措施對作物發生的病害進行處理。而這樣的監測較之于傳統的人工檢測，其效率更高，對于病害的判別也更為準確，因此往往能夠將各類病蟲草害消滅于忽微之時。

2.4 植物保護方面

在現代化農業生產過程中，植保無人機的研發與使用已成為熱門研究領域，因為植保技術的有效使用是保障農產品產量及質量的重要措施之一。傳統農業生產中人力以及半機械化的植保技術已經無法適應當前農業發展需求，低的作業效率以及農藥資源浪費等弊端也逐漸暴露出來，而植保無人機在實際應用過程中所展現出的性能優勢能夠有效彌補上述不足，其不僅能夠有效降低農業從業者的勞動強度，提升作業效率，同時也能夠開展精細作業，根據植保作業的實際需要對藥物的噴灑量以及噴幅幅寬等進行動態的調整，確保藥物噴灑均勻，提升藥物的使用精確度。在施藥過程中，農業生產者也能夠盡可能減少與藥物的直接接觸，進而保障從業者的身體健康。此外，植保作業過程中，無人機受地形地質條件的約束較小，因此也能夠有效提升植保作業質量與效率[4]。

總而言之，農用無人機在精準農業生產與發展過程中的應用的實際效率較高，如表1所示，因此在近幾年間該行業得到了較為迅猛的發展。

表1 傳統農機與無人機應用比較

3 無人機在精準農業中的關鍵技術簡析

3.1 超低空飛行控制技術

前文中筆者已簡要闡述無人機在農業生產的作物生長監測、土壤監測、病蟲草害監測以及植保方面的作用，而這些功能的有效發揮離不開信息采集技術的支持，而在對農作物信息進行采集時，無人機通常都需要保持長時間、超低空的飛行狀態，如此一來便涉及了對于超低空飛行控制技術的有效應用。我國的農業耕地類型較為豐富，而其中山地、丘陵地帶的耕地地形條件較為復雜，這對于無人機的低空飛行會產生一定的干擾。因此，無人機研發人員需要對無人機中的導航系統、飛行控制系統以及避障系統等系統的功能進行不斷的優化，使其能夠有效規避飛行過程中所面臨的不利情況。無人機技術中的激光設備通常用于測量距離，例如無人機的對地距離以及與農作物之間的距離等，而飛行控制技術主要作用便是協助無人機規避在超低空飛行過程中受到的紊亂氣流以及強地效的影響（圖1）。

圖1 無人機的低空作業

3.2 航線規劃技術

無人機的實際應用效果與預期航線規劃有著密切的聯系，例如在開展藥物噴灑作業時，農業從業者便需要結合GPS定位技術，對無人機的航飛區域進行確定，進而開展精確化的農業生產作業。例如，在開展四邊形農田的區域施藥作業時，農業從業者首先需對地面控制站點和作業區域四個頂點的位置進行確定，通過GPS定位系統使無人機中的控制程序了解作業區域范圍，之后便能夠根據獲得的GPS坐標、實際作業環境以及相應的作業要求等，科學規劃無人機航線并完成對預定范圍內作物的施藥作業[5]。而在系統完成規劃后，無人機便可按照預設航線對區域內的作物進行施藥。

3.3 噴灑荷載以及智能流控技術

在開展低空噴灑藥物作業時，藥液的霧化效果以及噴灑效果將直接影響到作業的質量，因此新概念技術研發人員也將此技術作為重點研發內容之一，在提升藥液霧化率的同時，對霧滴的飄移效果也進行有效控制，進而有效增強霧滴在農作物表面的沉積率以及藥液的利用效率，提升作業質量，降低藥液使用劑量，達到“降本增效”的目的。在此過程中，無人機便需要結合噴灑荷載以及智能流控技術對噴霧的實際流量、壓力以及相應的高壓靜電等參數進行實時調整，以達到最佳的藥液噴灑效果。這部分技術在實際應用時，還需要綜合無人機制劑的航飛狀況信息以及作物施藥深度等客觀因素進行分析，進一步確定具體的藥液的實際噴灑流量，結合閉環比例控制設備對無人機的藥液噴施速度進行動態的調整與控制，進一步提升施藥均勻度[6]。

4 人機關鍵技術在實際應用過程中存在的挑戰與發展前景

4.1 遙感技術硬件設備的優化與更新

在無人機的實際應用中，遙感技術的應用是最為基礎的，而傳感器作為遙感控制系統硬件設備中重要的組成部分，其性能將對無人機整體的性能產生較大的影響。目前，在精準農業中使用的無人機，其所配備的傳感器多為光譜傳感器，而對于高光譜遙感技術熱紅外成像儀以及激光雷達等設備的應用較少，主要原因便在于這部分傳感器所需成本較高，且相對重量更重，安裝在農業無人機中進行使用的性價比并不高，但隨著精確農業生產發展要求的不斷提升，傳統的傳感器硬件設備已難以有效滿足實際需求，因此需要進行深入研發，追求優化。

4.2 續航時間的延長以及路徑算法的優化

農業無人機在實際的研發過程中還存在一項較為重要的挑戰便是其電池續航時間的有效延長。目前，市面上的農用無人機續航時間均較為短暫，單次航飛路徑難以完成大范圍的作業，并且在此過程中，無人機還會因為其中平衡控制系統的算法精確度不理想而影響其飛行的穩定性，進而出現漏拍、重拍的情況，對于最終的攝像效果與質量造成不利影響。因此，相關研發人員需要加強對于無人機續航時間以及路徑算法的研究，使其進行不斷的優化，確保無人機能夠在精準農業生產發展過程中有效發揮其價值，提升其應用時效性。在未來的研發中，農用無人機的成本應當逐漸趨于降低，而相應的性能則需要得到不斷的提升，進而有效滿足精確農業發展需求。

4.3 信息處理的自動化與智能化發展

在現階段的無人機遙感技術應用時，能夠獲取的圖像以及影像資料的幅度較小、數量較多，并且資料之間的傾斜角以及重疊度等也會存在一定的問題，而這部分因素的疊加，便會使得農業從業者所獲資料的拼接難度以及校正難度大幅提升，因此在后續的無人機相關技術研發中，研發人員可加強對于無人機影像信息自動化處理技術的研究，使遙感技術所獲取的影像資料質量得到不斷的提升，進而保障精準農業的發展質量。此外，目前對于作物具體生長信息進行監測時，所用技術多為光譜檢測，通過檢測到的光譜信息對作物的生長參數進行反演，但在此過程中，獲取的遙感信息和農作物的實際生長參數之間的關系會受到模型的精確性以及科學性等因素影響，使得無人機在精確農業生產過程中的實際應用范圍受到影響。因此，研發人員需要加強對于不同作物生長參數的研究，結合其實際生理生態特點，對無人機在不同農業生產類型中的應用進行功能的區分與細化，并不斷加深對于遙感信息以及作物生長參數之間關系的研究，提升相應解析模型的應用精確度。

5 結語

精確化農業發展的主要目標，在于保障農作物生產效率即質量的基礎上對生產方式進行不斷的優化，助推作物的產量及質量得到升級與優化，最大化地提升農業生產效率，實現“降本增效”的目的，同時在此過程中還需降低農業生產對自然環境的污染程度。而實現此目標的主要途徑便是將現代化的科學技術以及機械產品應用到農業生產發展過程中，探索出全新的生產體系與模式。因此，無人機研發單位、企業以及工作人員等需要加強對于相應技術的研究，提升農用無人機性能，以便進一步挖掘農業生產發展潛力，優化產業結構，實現現代化農業的穩定發展。