基于无人机应用的智慧农场构建探索

张文斌 张龙全 齐宝萍

农业发展经历了由传统农业到机械化农业再到精准化农业的一个演变过程。智慧农业依靠现代信息技术，运用物联网、大数据、云计算手段，可对农业生产进行精准化种植管理、自动化调节、智能化决策。农用无人机、航测无人机、多光谱无人机以及相应的管理平台在农业生产中的应用，为以智能农机为代表的无人农场插上了智慧的翅膀。

1 无人机在农业生产中应用现状

1.1 无人机概述

无人驾驶飞机简称无人机（UAV），是利用无线电遥控设备和程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机按外形结构不同可分为固定翼无人机和多旋翼无人机2 种类型。固定翼无人机是将螺旋桨或者喷气式发动机产生的推力作为飞机向前飞行的动力，主要的升力来自机翼与空气的相对运动，对场地、操作人员等有较高的要求。多旋翼无人机主要靠多个旋翼产生的升力让无人机起飞，具有可垂直起降、空中悬停、操作简单、对场地要求低等优点，已成为无人机市场主流产品。

1.2 农用无人机

目前，市面上的无人机大致可分为消费级和工业级2 种类型，应用范围已普及到影视航拍、农林渔业、电力巡检、地理测绘等多个领域。农用无人机是民用领域无人机的一个重要组成部分。随着遥感技术、地理信息技术、地面传感技术及物联网技术的日趋成熟，农用无人机逐步应用于农业产前、产中、产后各领域。

1.3 无人机在现代农业生产中的应用

搭载了各类传感器和作业辅助设备的无人机可应用于农田航测、土壤分析及墒情测定、作物长势监测、农田作物管理以及农业保险勘察等领域。

1.3.1 农田航测

在无人机上搭载专业的影像仪器，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘，对田块信息、气候水文信息和农作物信息采集、分析，可形成“数字农田”。这是打造智慧农业的基础。

1.3.2 土壤分析及墒情测定

在无人机上挂载近红外光设备，可大面积、快速地对农田土壤进行分析及墒情测定，打破传统土壤墒情测定时间短、范围小的局限。在作物种植前，可通过无人机对土壤墒情进行监测分析，以便于指导农业前期规划；在作物生育期内，可通过无人机实时探测土壤墒情，以便于精准灌溉。

1.3.3 作物长势监测

在无人机上搭载高清摄像机，利用多旋翼无人机低空飞行、摄像机可达到厘米级空间分辨率的优势，对拍摄的作物数码影像纹理、颜色等空间信息特征进行提取分析，可进行农作物叶面积指数计算、不同生长周期长势评估、农作物识等研究。例如：大疆公司的精灵Phantom4 RTK 内置1 英寸2 000 万像素CMOS 传感器，用以捕捉高清影像，集成全新RTK模块，提供实时厘米级定位数据，配套的地面站软件可轻松实现对作物长势监测。

1.3.4 农田作物管理

将无人机应用于作物田间管理，使其成为“空中拖拉机”，对提高生产效率、减少农事活动对作物生长的扰动和对操作人员的伤害具有重要意义。以农业植保机为例，用于农林植物保护作业的无人机，能搭载喷洒系统贴着作物冠层作业，可实现超低量精准施药。近年来，随着土地流转的不断推进，农用植保无人机在各地得到了快速发展，仅“大疆农业”2019 年植保无人机作业面积就突破了1 亿亩（666.67 万hm2)。

1.3.5 农业保险勘察

对于农业保险勘察来说，最难界定的是损失面积。无人机具有灵活机动的快速响应能力、高分辨率图像和高精度定位数据获取能力，可高效准确的开展受灾定损任务。

2 基于无人机应用的智慧农场构建探索

2.1 智慧农业

智慧农业可以理解为数字农业+精准农业，是以现代信息技术为手段，运用先进的物联网、智能技术以及大数据等技术对农业的生产经营进行智能化管理，从而实现农业生产的种植精准化、管理可视化、决策智能化。智慧农业主要包括智慧农业生产、智慧农业管理、智慧农业信息服务等。

2.2 智慧农场

智慧农场依靠现代传感器技术对农业生产的现场数据进行搜集，通过互联网技术与物联网平台对数据进行分析，实现农业的智能化生产、自动化调节与精准化管理。

2.3 基于无人机应用的智慧农场构建探索

2.3.1 智慧农场系统框架

从耕、种、管、收四大环节入手，构建智慧农场系统框架，如图1 所示。

图 1 智慧农场系统框架

2.3.2 智慧农场作业场景

依靠卫星定位系统、RTK 基站、高精度地图、智能化基础设施、农用无人机、智能农机、智慧农业云平台构建智慧农场作业场景，如图2 所示。

2.3.3 智慧农场实现方式

智慧农场三大核心是指农场数字化、农机作业监管和精准种植管理平台。

1）农场数字化平台是基于地理信息系统的数字化平台。该平台对现代化农场大数据进行融合管理与分析，并基于地图、数据仪表盘等进行农场数据总览，辅助农场管理决策以及指导农场农业生产工作。

2）农机作业监管平台是对农机设备及其作业情况统一监管的平台。该平台开放数据接口，可接入植保无人机、地面农机等的设备及作业数据，实时监控设备位置、在线状态、作业路径、作业参数等数据。

3）精准种植管理平台可在耕种管收全周期各环节，对土地、作物、农事进行精准记录、监测和决策。

智慧农场实现方式如图3 所示。

图 2 智慧农场作业场景

3 结语

图 3 智慧农场实现方式

无人机在现代农业生产中的广泛应用，为智慧农场建设提供了可能。但无人机在数字农田构建、遥感、田间作物管理等领域中的应用还处于起步阶段，不能满足用户多样化需求，还存在机载传感器成本较高、续航和承载能力弱、遥感图像质量不稳定、遥感分析数据库响应及对复杂农田环境适应性差等问题。建议加快小型、低成本机载传感器研发步伐，实现机载农机设备通用化、智能化；提高无人机续航能力和承载能力，并将大数据、人工智能技术应用于农业遥感领域。