无人机技术在农业监测中的应用及优劣势

杜芳芳 何晓平 陈晓明

摘要    无人机作为具有高灵活性、低成本的新型农业监测工具，为我国向农业现代化、精准化转变提供了极大的帮助。应用无人机技术可以实时监测农情、预估产量、防治病虫害及喷洒农药等，极大地解放了劳动力，推动我国农业进一步向现代化农业转变。本文简要阐述了无人机技术在农业监测中的应用，并详述了无人机用于农业监测的优缺点，以期促进无人机技术在精准农业中应用有新的突破。

关键词    无人机技术;农业监测;优劣势分析

中图分类号    S127;S25        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）13-0172-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    As a new type of agricultural monitoring tool with high flexibility and low cost， UAV have provided great help for China′s transition to agricultural modernization and precision. The application of UAV technology can monitor farm conditions in real time， estimate yields， prevent pests and diseases， and spray pesticides， which greatly liberates labor and promotes China′s agriculture to further transform to modern agriculture. In this paper， the application of UAV technology in agricultural monitoring was briefly described， and the advantages and disadvantages of UAV technology in agricultural monitoring were introduced in details， so as to promote the new breakthroughs of UAV technology applying in precision agricultural.

Key words    UAV technology; agricultural monitoring; analysis of advantage and disadvantage

我国作为农业大国，种植规模庞大，而大规模种植的生产和监测成本日益增加，为保证生产效率和社会需求的稳定增速，农业机械化和农业信息化趋势已成为我国发展过程中的必经之路[1]。在互联网技术和图像信息处理技术飞速发展的时代，人力成本逐渐增加，这就使得自动化机械技术日益成熟，无人机作为一种新型的无人信息获取载体，在各行各业具有广泛的应用价值。近年来，无人机以成本小、速度快、精确度高、操作灵活、控制范围大等技术优点，在农业生产中得到了广泛应用。同时，无人机在农业中还有许多潜在的应用价值，不仅提高了农业生产效率，同时能够大幅度提升农业现代化水准，有利于推动农业现代化的发展。图1为现代小型无人机在精准农业领域方面的应用。

无人机在早期的社会发展中，主要在军事战争领域有较大的利用空间[2]。无人机较以往的侦查方式，具有灵活和快速的优点。但是，由于无人机成本费用昂贵、技术结合的成熟度较低以及缺乏稳定性等缺点，未在民间社会生产活动中进一步应用。当前，随着技术相对成熟和成本日趋下降，无人机技术逐渐渗透到各个领域中，尤其是在农业领域得到了广泛的应用，大幅提升了农作物的生产监测效率，对病虫害防治起到了至关重要的作用，极大地推动了我国农业机械化和信息化的发展。但是我国无人机技术与发达国家还存在非常明显的差距，因而无人机技术在我国还有巨大的发展空间。图2为我国2015—2020年智慧农业潜在市场规模增长趋势，预计到2020年，我国的智慧农业潜在市场规模将增长到268亿元，年复合增长率达14.3%[3]。

1    无人机技术在农业监测中的应用

近年来，由于农作物种植面积巨大、分布范围广、人工劳动费用上升等，无人机在农情监测中有巨大的应用空间。传统农情监测工程存在实测工作量巨大、任务种类繁多、受人为影响因素较大、获取数据的时间周期长、准确率较低等问题[4]，使得无人机在农情监测方面具有明显优势，不仅能够快速、精确地完成高分辨率的图像采集、分析，而且能够实现大范围覆盖，同时完成多任务监测，降低成本，具有很强的灵活性。无人机作为满足日益增长的农情监测需求的重要载体之一，需要在农情监测中得到进一步深入功能的开发和應用。目前，无人机在农情监测中主要应用于农作物的病虫灾害、生长趋势及土壤监测等方面[4]。

1.1    病虫灾害监测

农作物病虫灾害监测作为农情信息获取的重要组成部分，监测质量极大程度上取决于监测设备的质量与信息处理方式。无人机作为新型遥感和测绘平台，可以实现对大面积农作物的航拍作业，通过图像采集获取土地土壤信息及农作物环境空气信息。此外，还可以结合农作物光谱、色彩及纹理特征对图像进行分析，得出作物的灾害分布情况和受灾面积，以便种植者能够及时了解作物的受灾情况，采取相应的防灾调整措施。尤其在灾害预防控制方面，可以通过及时采集、快速调整，帮助种植者全面掌握作物的病虫灾害情况并开展防御。

无人机遥感技术就是通过搭载各种类型的传感器，利用农作物不同状态下反射不同波长电磁波的原理，进而实时监测农作物的状态。Vogelmann等[5]早在1988年就将无人机技术应用于森林病虫害监测中，并取得了很好的效果，对于界定森林受病虫害灾害情况给予了极大的帮助。王震、黄耀欢等[6-7]应用无人机遥感技术，通过分析受不同灾害类型的森林树木反射光谱特征发现，不同受害类型在特征波长上反射率存在明显的差异。对于小麦条绣病的监测，通过利用TM影像波段信息，可以对其进行实时监测[8]。通过无人机航拍影像、识别分析，构建HSV色彩空间模型，可以实现对作物病虫害的识别及等级划分[9]。

1.2    作物生长及土壤监测

作物生长是一个漫长而复杂的生物过程，了解作物生长环境是种植者的一项必要任务[10]。无人机对于作物的生长环境及土壤监测能够涵盖作物的健康状况、作物的元素含量、作物的生物量估测、种植面积覆盖度的变化范围和作物生长的基本状况等一系列监测指标。无人机通过自身携带的摄影装备获取高分辨率影像，利用图片拼接技术完成影像的组合，再通过图像分析技术对农作物的生长情况及周围的环境进行动态捕捉，使种植者能够及时获取无人机反馈的影像信息，清晰明确的了解作物种植田情况，从而及时对作物的具体情况作出调整，利用更小的时间价值来获取更高的组合收益。

目前，通过利用无人机拍摄获取高分辨率的影像，可以分析监测作物施肥后的生长状况[11]。与此同时，还可以通过建立、生成相关的数学模型用于作物生长状况的监测[12]。植物的NDVI值常被应用于植物生长状况监测及植被覆盖度等方面，通过无人机携带多光谱传感器得到作物的多时相影像并计算NDVI值，用于监测作物的生长状况及覆盖度等信息[13]。张智韬等[14]利用无人机遥感技术，通过相关实验分析，监测植被覆盖下的土壤含盐量。杨珺博等[15]利用低空无人机遥感技术，精准获取冬小麦根域土壤含水量，实现了农田的精准灌溉。

2    无人机用于农业监测的优势与劣势

2.1    优势

无人机移动速度快，对于环境的适应性较强，可以很好地代替人工进行特殊环境下的生产监测作业，减少了监测过程中对作物的损耗和人工费用。无人机体型较小，方便操作人员携带和移动，并且受天气和地形影响较小，尤其为种植在高山、丘陵等复杂地形的农作物监测提供了巨大的便利，同时减少了设备的运输成本。表1给出了无人机在农业监测中所携带传感器的類型及其优缺点[16]。近年来，4K摄像头已经广泛应用在无人机航拍中，提供了大分辨率的航拍影像，能够进行快速的数据信息捕捉。此外，无人机较传统的大型农用监测机可大幅节省成本。

2.2    劣势

虽然无人机较人为监测具有监测精度高、范围广等优势，例如大疆无人机“御”Mavic 2专业版，可携带4K摄像头，有效通讯距离为5～7 km，但在无负载情况下最大航行时间也只有30 min，续航时间的明显劣势是无人机在航拍过程中最大的“痛点”。同时，由于无人机极低的承载重量能力，限制了航拍效率的提升，而增加航拍频次就增加了监测的费用。虽然无人机较传统农用机运行的费用下降，但是需要培养专业飞控手[17]，也在一定程度上增加了监测的费用。在对目标种植区进行监测的过程中，无人机受客观因素的影响会对监测数据产生一定的偏差，如受自然光光照影响较大，光线不好会影响采集数据的准确性，在大雾、大风、雨天等天气情况下，受安全因素的影响，不宜飞行。

3    结语

无人机较传统的农业监测设备具有安全性高、操作灵活的特点，能够高效率地提供大规模影像信息数据、可适应现代的精准化农业发展。同时，无人机载重性能和续航能力等薄弱之处也随之体现出来。虽然无人机在监测中的应用存在一些明显缺点，但是随着技术发展越来越成熟，无人机在农业监测方面势必发挥更大的作用，也会更加广泛地应用到农业生产中，更好地促进农业生产的发展和改善。

4    参考文献

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