无人机在精准农业中的关键技术及应用

孙铁波

(江苏食品药品职业技术学院，江苏 淮安 223000)

0 引言

在现代农业生产中，无人机发挥出了不俗的效果，基于无人机构建的全新作业体系展现出了巨大的优势，自动化水平的提升不仅有效降低了农民的劳动量，同时也提高了农药喷洒、植物保护等方面工作的效果。无人机为农业的精准化和智能化发展提供了极大的助力，也为我国农业生产水平的提升做出了巨大的贡献。

1 农用无人机技术概述

1.1 农用无人机的功能介绍

无人机是一种能够通过远程控制实现无人驾驶的飞行器，在农业领域，通过程序编写配合无线电遥控可以帮助农民完成一些生产任务。目前，无人机在农业生产中的功能主要包括两大类，分别是信息获取以及农事操作。

信息获取是指利用无人机对田地中农作物的生长状况、土壤条件、病虫害信息等进行采集，为生产决策提供参考依据。

农事操作是指利用无人机代替人工完成各项农事作业活动，这种方式可以有效地提高作业效率、质量，非常适合农业规模化生产模式。而且无人机上设置的智能设备可以实现对农田信息的实时采集，使生产管理者可以针对实际情况作出有效的调整应对，实现精准农业。

1.2 无人机在精准农业中的主要应用领域

在精准农业中，无人机的应用领域主要包括4个方面：

首先，对农作物进行监测，为施肥提供资料依据。在现代农业生产中，施肥是保障农作物产量不可缺少的工作，肥料能够为农作物提供其生长所需的各类养分，使其能够进行正常的代谢。如何在最精准的时机施以足量的肥料一直以来都是农业生产中的一个关键性问题，因此在传统农业中经常会出现施肥过量或是不足的问题。而装置了图像采集设备的无人机则可以对农作物的生长信息进行采集，帮助生产者及时发现农作物群体所表现出的异常状况，通过数据库分析确定农作物缺少的营养元素，之后准时、准确地进行精准施肥。

其次，对土壤状况进行监测，为灌溉提供资料依据。水分同样是农作物不可缺少的物质，土壤中水分含量是否适当影响着农作物的生长。生产者需要根据土壤的湿度情况以及农作物的习性，进行适当的灌溉工作，因此对土壤水分的监测就显得至关重要，这项工作可以帮助生产者了解农作物是否存在缺水现象，需水量为多少，并在此基础上选择合理的灌溉方式，提高水分利用率。相较于传统农业生产中的土壤湿度监测方法，无人机监测在范围、精确度以及时效性方面都具有显著的优势。具体是通过装载在机身上的可见光近红外光设备，对土壤图像进行对比分析获得土壤的湿度信息，根据该信息采用科学的灌溉方式。

再次，应用于病虫草害防治。无人机还可以对农田中存在的病虫草害进行监测，现代化遥感技术以航拍的方式可以实现对大面积农田的有效覆盖，获得清晰全面的摄像资料，为农作物生长环境进行分析，及时发现病虫草害状况，针对性地采取管理措施。例如，江苏省农科院和南京理工大学合作开发的微型无人机搭载特殊光谱分析仪，可以基于农作物叶片光谱发射率，对其是否患病以及患病的类型做出精准的判断，进而采取相应的药物治疗措施。为了配合这一方案的实施，还建立了一个特殊的农作物病虫害光谱库，通过简单的数据对比就可以快速确定农作物出现病虫害情况。相较于传统农业生产中所使用的监测设备，无人机监测的范围更大，不仅实现了实时监测，而且基本上不受天气因素的影响，有效地满足了精准农业对病虫草害防治的需求。

最后，应用于植物保护。现代化农业生产中，植保是确保农作物产量的重要举措，而传统的人工和半机械化的方式已经无法满足当前的需求，劳动强度大、作业效率低、农药浪费、危害作业人员健康等弊端逐渐显露出来。而无人机植保作业方式的出现则有效的解决上述问题，无人机植保彻底取代了人工作业的方式，降低了劳动强度，提高了作业效率。而且配合无人机所具有的信息采集功能，可以基于农作物的生长情况，对药物喷洒量进行动态调控，并保障喷洒的均匀性。结合实践研究来看，相较于传统的植保方式，无人机植保可以实现20%～40%的农药节省，同时作业效率可以实现10倍以上的提升，且不会出现药物残留的情况。除此之外，无人机植保方式的适用性极强，在大部分复杂的地形和环境条件下都可以发挥出不俗的效果。综合来看，无人机植保方式的应用可以极大地提高植保作业的效率和质量，解决药物残留问题，有利于农业的可持续发展。

2 无人机在精准农业中的关键技术介绍

2.1 无人机超低空飞行控制技术

通过上文分析阐述我们已经了解到，无人机在精准农业的施肥、灌溉、植保、病虫草害防治等方面都发挥着巨大的作用，这些工作的精准实施都离不开信息的采集，由于农作物处于地表，因此想要获取精确的信息资料，就需要使无人机保持长时间的低空飞行，这就涉及了超低空飞行控制技术的应用。在现代农业生产中，很多农田都存在较为复杂的地形条件，这对无人机飞行会产生一定的干扰。对此，需要在无人机中使用导航系统和飞行控制系统，确保无人机能够有效规避不利的地形。在导航系统构建中，需要使用到激光设备，其作用是对地测距；GPS定位系统，其作用是精准定位，其精度最高可以达到厘米级。而飞行控制系统的作用通常是去除超低空环境中的强地效影响以及紊乱气流影响。

2.2 航迹规划计划以及施药量分析技术

想要在保障作业质量的前提下，最大程度的提高无人机作业的效率，就需要进一步提高无人机操作水平，即根据施药的环境，进行自适应的航迹规划，配合适当的引导完成预先设定的任务。以四边形的作业区域为例，生产人员首先需要设置地面控制站以及作业区域4个定点位置的GPS。在确定GPS的坐标之后，根据作业覆盖整个农田区域的要求，控制器进行在线航迹的规划，根据规划结果指引无人机完成相关操作，最终达到作业目标。

对于农作物所遭受的害虫侵袭，可以借助无人机采集获的高光遥感影像数据，对虫害的发展情况进行监测了解，之后采取科学的对比策略，判断虫害的危险程度。对此，可以基于不同种类的作物，采取光谱检验的方式，根据光谱发射率的变化规律，确定施药量。

2.3 喷洒荷载系统以及自动精准流控技术

在针对农作物开展低空喷雾作业的过程中，有一个关键性的问题，即提升药液的雾化，同时控制雾滴的漂移，其目的是强化雾滴作用于农作物的穿透性，提高药液在作物叶面的沉积率以及药液的利用率。无人机低空飞行中可以实现对喷雾量的有效控制，而且还能够基于作业的生长状态，作出实时的喷施指令，借助可控制药装备，进行执行实施，通过对喷雾流量、压力、高压静电等参数以及喷臂状态的调整，以获得最理想的喷施效果。而且，综合无人机的飞行状态信息以及施药深度的要求，可以实时计算处是施药电液的喷施流量。采用闭环比例控制设备对喷施的速度进行动态调整。在整个作业过程中，无人机上安装的流量测量仪会将当前的喷洒流量数据采集、反馈并计算获取最佳喷洒值，之后通过PI控制，实现高效精确的流量控制，提高药液喷洒的均匀度。

3 当前阶段我国精准农业中无人机应用发展的困境解析

随着我国农业转型发展的深入，无人机等现代化设备以及先进技术在农业生产中的应用变得越来越广泛，迎合市场需求，从事无人机研究、生产的机构和企业也在增加。同时，中央出台的关于加强农用航空建设的文件也为领域发展提供了契机。但是由于基础薄弱，无人机在我国精准农业中应用时必然也遭遇了一定的困难，这也为农用无人机的发展指明了方向。

3.1 农用无人机技术不完善、设备可靠性低

目前，我国农业生产中所使用的无人机在操作便捷性、性能可靠性等方面均存在一定的不足，还无法达到美、日等发达国家的水平。例如，在飞行续航方面，我国所使用的农用无人机由于机身质量差，且搭载设备较多，使得其续航时间大幅度缩短，一般不超过1h，而且在作业中需要频繁的降落进行电池的更换，严重影响了作业效率。而且这种行为会造成机身温度的增加，损害无人机的使用寿命。再如，无人机及其承载部件对农药的耐受性不足，由于现阶段航空施药的药量精准控制以及漂移控制尚不完善，因此不可避免地会出现药液污染机身的情况。除此之外，我国农用无人机的安全性保障功能存在缺失，如失联返航、失控保护、自动避障、设置安全作业区域等功能均存在不足。

3.2 配套设施缺失、维护成本高昂

当前阶段，我国农业生产中比较常用的无人机机型主要有单旋翼、多旋翼、油动力以及电池动力几种。固然，无人机技术的应用使得农业生产效率、质量获得了有效的提升，但是其制造成本也远高于传统的农业机械，而植保无人机的售价甚至高达5～20万元，在我国基本上无法实现大范围推广应用。而且无人机使用涉及了很多专业技术，如飞控技术、动力技术等，专业性较强，想要良好使用，还需要参加培训活动，掌握使用、维护、保养等方面的知识技能，这会使农用无人机的使用成本进一步增加，这是我国绝大多数农户都无法承受的。

根据我国国情，过高的成本是阻碍农用无人机推广的主要因素之一。另一方面，我国缺少专业的无人机操作人员。造成这种情况的深层原因是我国与农用无人机配套基础设施尚不完善，极大阻碍了农用无人机的市场化和规模化发展。

针对以上2个方面的问题，未来一段时间我国农用无人机领域的发展应集中在研发2个方面：首先，加大农用无人机领域的研发投入，对关键技术进行攻关，提高无人机综合性能，为农业生产提供更加有力的支撑。其次，加快完善农用无人机配套设施，包括社会化服务体系、人才培养机制、销售服务体系等，促进无人机的推广应用。

4 结语

在我国现代精准农业发展的过程中，想要最大程度地提高农业生产效率、质量，同时降低生产成本、控制环境污染，最有效的方法就是引入先进的技术设备，构建全新的农业生产体系、模式，如此才能将我国农业产业的潜力充分挖掘出来，实现农业的可持续发展。将无人机应用于精准农业中具有减少作业强度、有效控制病虫草害、农田监测管理等多种改进效果，解决传统农业生产存在的弊端。近年来，农用无人机在我国发展迅猛，但离大范围推广还有一段很长的距离，这需要进一步加强在该领域的研发攻关，在提升无人机性能的基础上，对制造成本进行压缩控制，同时完善社会化配套服务体系，加强专业操作人员培养。