农用无人机在智慧农业中的应用研究*

任震宇，屈 东，唐真真

（绵阳职业技术学院 智能制造学院，四川 绵阳 621000）

智慧农业管理是把物联网信息技术运用在传统农业管理中，即利用传感器或者应用软件、利用移动平台和个人电脑平台对农作物实施管理，让传统农业更加富有“智慧”。其中智慧农业的主要板块“农用无人机”凭借其工作高效率省心省力的优势解决了市场的不同需求，为我国解决农作物病虫害影响农业种植问题提供了巨大的帮助，缓解了农业对于人力的解放同时也保证了粮食产量的提升，促进了我国传统农业向现代农业的转变[1]。不过，虽然农用无人机应用表现出良好的发展态势，但同样还存在一些问题，如果不能有效解决这些问题，那么今后农用无人机的发展依然会受到限制[2]。

1 农用无人机的研究现状

1.1 国内农用无人机发展现状

我国对农用无人机的研究与开发起步较晚，载人飞机控制和无人机控制的总份额不到2%。这就反映出无人机的前景大有可为。就农业领域来说，电动的农用无人机有众所周知的极飞，油动的单旋翼农用无人机有汉和、全丰，油动大载重长航时多旋翼农用无人机有深圳常锋、大疆，据统计仅极飞无人机就已在20万公顷农田中发挥了重要作用，累计积累了大量的耕地数据和用户声誉，是中国领先的农业无人机公司[3]。

1.2 农用无人机分类

市场上销售的农用无人机有两类，一类是按动力功率划分，另一类是按机型结构划分。

按动力功率分为电动、油动和油电混动农用无人机。电动农用无人机价格相对实惠、易于护养、环保、电池可反复使用，该飞机主要依赖飞控系统，对用户遥控技术要求更低，因此在市场上大受欢迎[4]。相比之下，油动农用无人机较昂贵，自动化程度较低，易发生故障。对飞手飞行技术、护养技能要求较高且以汽油为燃料，不利于环保。但油动农用无人机却有载荷大、续航长、单次作业区域远、抗风稳定性强的优点。随着目前种植土地的规范化运营管理以及地面飞控系统的逐步完善，所以油电混动农用无人机的优越性也就显现了出来[5]。

按机型结构可分为单旋翼、固定翼和多旋翼农用无人机。单旋翼无人机的工作面积大[6-7]，能在风中保持平静姿态，但由于价格高，操作的复杂性不如多旋翼农用无人机受欢迎。固定翼农用无人机广泛应用于农田信息收集、灾情预警、作物成熟度估测等。多旋翼无人机因为自动化程度高、入门门槛极低、成本便宜的优点大杀四方，唯一不足就是抗风稳定性较差且以目前技术而言农药喷洒效果较差，但依然受人喜欢[8]。农用无人机的分类，如图1所示。

图1 农用无人机的分类

2 基于无人机的智慧农业体系

2.1 传统农作物种植流程

我国的传统农业多为集约式农业，主要特征为因时因地制宜，精耕细作，以增加耕地利用率、增加单位面积生产为中心，并采用了良种、精耕、细管、多肥等一系列的科技措施，如图2所示。在传统农艺研究与生产实践中，我国传统农业技术达到了古代世界的最高水准[9]。

图2 传统农业种植流程图

2.2 根据传统农作物种植流程优化的智慧农业体系

智慧农业也可理解为数字农村+精准农业，是以现代信息技术为手段，运用先进的物联网、农业智能科技和大数据分析等技术，对农村的农业生产经营活动实施智能管控，进而达到农作物种植精细化、生产管控过程可视化、经营决策自动化[10]。

以下从精耕、良种、细管、保护、丰收五个方面阐述智慧农场系统框架，如图3所示。

图3 智慧农业种植流程图

（1）精耕：农田测绘、田间环境监测、土壤分析与墒情测定、平整地分析。

（2）良种：良种选择、杂草识别、出苗分析、空穴普查。

（3）细管：植保作业监管、可变追肥、农作物生长监测。

（4）保护：病虫害监测、野生动物踩踏、夜视追踪。

（5）丰收：气候预估、产量预估、产量实测、根据成熟度规划收割路线。

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。其形成与当今科学技术发展迅速有关，目前中国智慧农业已处于世界先进水平。

2.3 基于农用无人机的智慧农业终端体系

基于农用无人机的智慧农业终端体系是以智慧农业平台为总平台，以卫星定位为基础，用田间基站，农用无人机，智能农机实时运行数据反馈给智慧农业平台，进而形成的闭环反馈实时数据更新调整的基于农用无人机的智慧农业体系[11]，如图4所示。

图4 基于农用无人机的智慧农业体系架构

3 无人机在智慧农业中的应用

3.1 无人机在遥感监测方面的应用

遥感技术是识别探测目标的技术，是通过目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线来感知目标的[12]。无人机遥感技术是在无人机上安装传感器，可以迅速掌握土地、资源、环境地形地貌等信息，并进行数据信息的分析处理，最后通过数据建模形成与之匹配的模型的综合应用技术[13]。无人机遥感系统由硬件、软件和通讯系统组成。

无人机作为新型的遥感平台，近年来该技术发展速度很快，应用范围日益扩大[14]。无人机遥感技术普遍用于粮食作物检测、农田作物长势检测。近年来，无人机遥感技术在农产品营养检测和粮食产量评测等方面均有重大突破。

3.2 无人机在精准农业方面的应用

无人机在精准农业方面的应用是指通过在无人机上搭载带有两个或两个以上波谱通道的感应器，对农作物实现同步成像的一类遥感技术，它把从目标物上反射辐射的电磁波信号，分为几个波谱段加以接收并记录。实现多光谱遥感的主要传感器是多光谱摄像机，每次拍照都可以产生多个不同光谱的影像[15-16]。

在过去的十年中，无人机（UAV）的发展和迅速崛起标志着遥感技术进入了一个新时代，它提供了前所未有的空间、光谱和时间分辨率数据。精准农业是无人机最有经济价值的应用领域之一。

3.3 无人机在图像识别方面的应用

人脸识别、车牌识别、车船监测、目标跟踪是无人机图像识别的典型应用，近年来随着5G技术的更新，无人机识图也逐渐在各行各业中体现出显著的优势。

图像分离是无人机在识图方面最基础的应用，它主要是通过图像的像素计算特性来对像素进行细分，从而使各个类型的像素分离。基于小波变换的多像素划分方式，首先对图像的灰度直方图进行了小波多尺寸转换，然后再由大的尺寸系数到较小的尺寸系数，逐步定位出灰度阈值，如图5所示。

图5 图像阈值分割流程图

无人机在农业识图中通常是在无人机上搭载高清摄像机，利用多旋翼无人机低空飞行，该相机镜头可实现厘米级空间分辨率的技术优势，可对所抓拍的作物数码影像纹理、色泽等空间资料特性进行提取解析，可开展农作物叶面积指标测算、不同生长期的长势评价、农产品辨识等相关研究。

3.4 无人机在农田管理方面的应用

农业生产必须对耕地开展真实、全方位地检测分析，运用现代科学技术能够给耕地生产提供真实的农业信息，以此来指导耕作管理，通过对作物进行长势的精确监测，进行田间精细化管理，通过合理分配农药肥料来改善农作物的生长质量，利用实时数据从而实现数字化管理种植，如图6所示。

图6 智慧农业体系图

无人机通过携带传感器对地遥感监测及时获得精准的田间信息，对作物长势、土地信息、农作物灾情等实现有效的动态监控，与卫星遥感监控和地面传感器监控系统互补共筑空天地的一体的监控系统，形成精准的田间“诊断图”，并根据田间实地状况运用到指导田间生产活动中，引导田间生产管理，做到及时对粮食作物进行精准化施肥、施药和浇水管理。该管理方式打破了传统农业生产长期处于被动的地位。

3.5 无人机在农田治理方面的应用

据多名野生动物保护专家组成的调查团队估计，全省每年各地上报野猪致害7000-8000次，毁坏农作物等造成的损失约2.15亿元。今年北川、理塘已接连发生野猪伤人事件。针对该事件可在无人机上搭载野生动物提示和驱赶系统用以保护人们的人身安全和保障粮食的产量，同时在无人机上搭载高清相机和各种传感器以实现对野生保护动物的跟踪及抓捕。

同时，无人机具有精度高、热捕获速率快和反应力敏锐等优点。在无人机上搭载热成像照相机，用来获取作物冠层温度（见表1）。作物冠层温度，是指作物冠层内不同高度茎、叶表面温度的平均值，是反映作物生理状况的主要指标之一。所以，可使用作物冠层温度来检测作物是否遭受水分胁迫和病害等不良环境因素的影响，再通过检测数据分析针对作物长势合理分配资源。

表1 热成像相机型号及应用

4 无人机在智慧农业应用中的不足与发展趋势

4.1 缺点分析

4.1.1 缺少操作员

农业无人机的飞行具有一定危险性和难度，因此农务人员需要进行一定的专业培训才可以操作无人机，专业飞行人员除了能够操作无人机，也需掌握农作物的农药配比和喷洒量等。

4.1.2 续航载荷

在农业作业中大多都是大范围作业，续航较短、载荷量较小、通信距离较窄等因素使得农业无人机难以推广。

4.1.3 价格较高

农业无人机相比于普通无人机来说，续航能力载重能力和持续飞行能力更好，机身也需要有抗农药腐蚀的性能，所以农业无人机的价格会更加昂贵，购买后的无人机还需要保养和维修。

4.1.4 售后问题

农业无人机售后很难得到保障，无人机出现故障，维修成本较高。

4.2 无人机在智慧农业应用中的发展趋势

随着社会的发展，农村劳动力短缺，老龄化进程加快，农用无人机技术有望随着生态环境和食品安全的旺盛需求而发展，越来越多的企业也将参与到航空设备保护领域，农用无人机技术将得到飞速地发展。将来的无人机也将更加智能化、精准化，性能更加优良。

4.2.1 无人机智能化

利用无人机上自带数据探测处理系统分析农作物的生长发育情况。达到能自行按照植物生长情况进行适量施肥和施药，为无人机增加实时避让技术，加强对无人机控制系统的开发，使控制系统智能化简单化，达到操作人员不需要进行无人机操作的培训就可以操作使用。

4.2.2 作业精准化

农业无人机的农用效果是其应用主要因素之一，因此未来农用无人机要更加精准、高效地运行，还要实现高速、精准探测，让使操作人员的工作得到优化。

4.2.3 优化性能

提升蓄电池的容量，增加无人机的使用时间，降低故障率。根据不同作业设置对应模式，强化无人机的喷洒装置，生产喷洒专用药剂，防止外部因素导致药液漂移影响防治效果。

5 结束语

总体而言，平台体系不完善，飞行稳定性和自动化水平不高，电子传感器成本过高及无法做到平民化是目前我国农用无人机在智慧农业应用中要面对的主要问题。农用无人机喷施的雾滴、颗粒等游动规律需要更加清楚。施肥、施药等机载设备的作业控制技术水平也具有很大的提升空间。作物长势监测和产量估测以经验模型为主，且模型精确度、稳定性等尚未获得证实。为克服上述问题，并推动农用无人机在智慧农业中进一步广泛应用，下列几个方向将是研究的关键。

（1）无人机的个性化与智能化：无人机应具备基本避障应急处理功能，同时可根据用户的个性化需求提供个性化组装，让其不仅只是在农忙时发挥作用，还可达到一机多用的目的。（2）机载传感器的低成本和轻小型化：从无人机续航和载重方面考虑，在逐步更替的过程中应该做到体积小、通用价格实惠等特点，只有这样无人机才会在智慧农业中得到普及。（3）机载农机设备的智能化：考虑农机设备在喷药施肥等方面不能根据当前该区域情况实施适当计量作业，无人机应达到实时处理数据，对农机药剂肥量用量等根据作业区域特征实时自动调整。（4）不同监测平台数据的融合与应用：在农业应用中仅用无人机一种探测设备对数据进行收集有一定的局限性，很难准确地判断作物的具体情况，因此多平台多数据的整合更有利于农用无人机在智慧农业领域的发展。

中国作为一个农业大国，每年在农业上无论是人力还是物力都是一笔不小的投入，人力物力的消耗、科学技术的更新无不促使着中国小农生产向农业产业化过渡，而以农用无人机为基础的智慧农业正是将来的大势所趋。