无人机技术在农业领域的应用研究

赵 宇

(黑河市爱辉区农业综合行政执法大队，黑龙江 黑河 164300)

0 引言

无人驾驶飞机简称无人机(UVA)，是指利用无线电遥控设备和自备程序控制操纵飞机，常用于执行一些危险或复杂任务[1-2]，可以分为民用无人机与军用无人机，目前在农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、空间检测、测绘及新闻报道等方面进行了广泛应用。

随着无人机技术的逐渐发展及农业现代化的发展，无人机在农业播种、植保、病虫害预防、农作物长势监测及作物产量预测等方面具有众多优势，与智能化检测设备及相关人工智能算法结合，实现了农业智能化进程，提升农业生产效率，保障我国粮食安全，加快农业现代化进展[3-5]。

1 无人机技术在农业领域的应用现状及优势

随着无人机技术的逐渐发展，其在农业生产及精准作业中得到了广泛应用。农业无人机主要包括固定翼无人机和多旋翼无人机，结合田间信息采集平台及多光谱成像系统，可以实现农业无人机遥感技术、农作物长势监测、精准变量施肥技术、作业参数优化、大田及果园施肥技术、作物产量评估等，可以弥补传统农业监测设备作业范围小，实时监测困难等问题，替代传统卫星遥感监测，减少农业生产投入，可以实时获取土壤养分、水分及其他资源，通过科学数据解析，进行变量施肥，科学施药，成为目前支撑农业现代化发展的重要技术之一。

1.1 在农业播种工作中的应用

无人机播种技术(图1)是近几年兴起的一项空中播种技术，可以将种子及其生长所需的全部营养素一起播入土壤，该项技术可以提高种子对营养成分的吸收率，如果该技术可以实现大面积推广应用可以降低农业播种成本88%左右，提高种子成活率45%左右，同时也减少了其他资源的消耗与过度开发。但是该技术体系尚未完善，仍处于实验阶段[6-8]。

图1 无人机播种工作示意图

1.2 在农业病虫害防治工作中的应用

农业病虫害评估及预测是实现优质农业发展的基础保障条件之一。基于无人机搭载相关可视化红外线及近红外线发射装备，对农田作物进行大面积勘察，可以准确、及时地分析农作物反射的绿光及近红外光的数量并绘制相应的多光谱图像来分析农作物的变化与健康状况，并根据无人机勘察结果及数据做出有效的防治手段，保障农作物生长，及时发现病虫害的发生，防止田间病虫害的大面积蔓延，从而保证粮食产量，提升农业生产效率。

在采用药剂喷洒作业进行病虫害防治时，无人机通过装载超声波、雷达或其他先进的喷洒系统进行大田作业，利用无人机进行病虫害防治时，结合自主识别系统可以根据地理地形环境不断调整飞行高度、姿态躲避障碍物，并且依靠先进的喷洒系统实现精准、均匀喷洒作业，可以提高农药使用效率，减轻植保带来的生态环境污染，减少人力消耗。目前常用的无人机为JF01-10型六旋翼及八旋翼，其主要结构参数如表1、表2所示[9-10]。

表1 六旋翼JF01-10技术参数

表2 八旋翼JF01-10技术参数

1.3 在农作物长势监测工作中的应用

目前，随着农业种植面积的逐渐扩大，需要对大面积农作物监控，另一方面，伴随着全球气温上升，全球气温变化无常，对作物的管理与维护变得更加困难，传统农户多主要依靠人工或卫星图像辅助进行农作物长势的监控，但是需要支付大量的费用，农业生产成本较高，其监控精准度也难以实时准确的进行农作物长势的监控。随着无人机技术的逐渐推广应用，利用无人机搭载实时影响系统可以对大面积农作物长势或林木进行监控，且无人机购买或租赁成本较低，并且有专业人员进行操作与指导，在提高农作物长势监测精度的基础上减少成本投入。此外，无人机还可以通过搭载高光谱、多光谱、热传感器及多种地幔信息采集平台(UGV)等设备，采用总线连接的方式实现对农田作物营养状况及长势的监测，实现数据实时传输，还可以进行农田区域植被指数的计算与分析，通过农作物自身散发的热量来分析农作物生长密度及健康情况。基于可见光与多光谱图像遥感技术还可实现田间杂草的识别与处理。

1.4 在农作物产量预测中的应用

基于无人机遥感技术进行农作物产量预测技术正在蓬勃发展，目前常见的无人机进行作物产量预测方法主要是利用时间序列无人机RGB和各项作物领域收集的天气数据，利用RGB时间序列数据评估作物产量。常见的应用于作物产量的神经网络模型主要包括卷积神经网络(CNN)和长短时记忆网络(LSTM)作为空间和时间基础架构，实现各类作物产量的预测。

1.5 无人机技术在农业领域的应用优势

1.5.1 安全性高

利用无人机进行农业植保时，与传统植保技术相比，可以保护施药人的身体安全与健康，避免农业工作人员受到药物的侵害，防止人员出现农药中毒及田间中暑等现象发生。无人机在空中可以实现定点喷洒农药，植保无人机旋翼产生的强大气流可以直接将药液压迫作用至作物各个生长领域，在保证农药作业范围的同时保护生态环境。

无人机飞行较为安全，无人机可以在空中悬停，可以定点飞行，飞行平稳，安全性能较为可靠。

1.5.2 提高农业生产效率

利用无人机进行农业生产，作业效率高，每分钟可以喷洒作物面积超过0.13 hm2，平均一天一架无人机可以作业面积超过40 hm2，等同于50～100个人的农业生产工效，极大地提高农业生产效率，解放劳动力。利用无人机进行施药可以精准作业，贴近作物1 m以内施药，药剂雾化后在旋翼的作用下穿透力较强，雾滴飘逸少，雾滴均匀，提高农业生产效率30%以上，在使用超低容量施药技术时仅需400～500 mL·(667 m2)-1药剂。

1.5.3 操作简单

进行无人机操作培训时，没有基础的工作人员仅仅需要10～15 d技术培训，即可学会无人机的飞行操作及日常维护工作，操作简单、灵活、方便，且无人机加药、停飞、换电池较为方便，几分钟即可完成电池及其他零部件的更换与安装，对操作人员较为友好便捷。

2 无人机技术在农业生产中存在的问题

2.1 无人机播种不成垄

目前，利用无人机播种主要是进行作物撒播，以水稻播种为例，播种为撒播，没有成行成垄，导致田间空气流通性比较差，水稻相关病虫害发生概率提升，尤其是稻瘟病的发生概率，因此，未来应该模拟地面精准的穴播。

2.2 果园病虫害防治效果较差

由于果园大部分病虫害发生在叶面的背面，传统无人机植保对病虫害防治效果较差，且无人机飞行高度越高，受风速、气流影响较大，药剂雾滴随风飘洒存在安全隐患。未来应该加强关于无人机植保雾滴飘移规律的影响。

3 无人机技术未来的发展方向

现阶段，由于产量、技术、价格、操作、载重等综合因素，农业无人机的市场渗透率并不高，相较于国外超过50%的渗透率，我国还不到两位数，差距非常明显。在此背景下，未来我国需要加强无人机技术创新升级，推动功能多样化发展，简化操作流程，提升载重能力，扩大产品产量，提高产品质量，提升我国无人机技术的发展及市场竞争力。

3.1 健全无人机配套设施

农业无人机产业的成熟发展，除了无人机本体和各种软硬件应用外，后续配套设施也至关重要，比如人才、维修、保险等。近期，黑龙江地区用户发布了关于农业无人机掉落农田的视频，相关用户反映一些无人机在使用中涉及坠机、迫降等多种问题与情况。未来，我国要加强完善无人机服务网络，加速推动无人机后服务市场建设，通过鼓励无人机人才培训市场、无人机维修市场、无人机定责保险市场等的不断发展，进而推动无人机的长足发展。

3.2 提升智能化建设水平

随着无人机产业继续高速发展，无人机系统不断更新迭代成为产业发展的必然趋势。未来，随着智能化、信息化需求不断发展，无人机应该向综合集成化、高度智能化、机身隐身化及高空、高速、长航时方向发展，实现智能自主能力增强、任务效率更高、单次任务半径更大和信息获取更加准确等诸多性能特征。

3.3 健全无人机管理体系

目前，由于无人机黑飞现象频发引起的无人机扰航、隐私窃取、伤人等事件，在农业无人机应用上，各种乱象也层出不穷，基于此我国还需加强标准规范建设。一方面，通过政策法规的出台，完善无人机法治围栏，减少无人机滥用乱用，保障个人与社会安全；另一方面，建立相关产品、行业标准，提升产品质量、规范行业发展，避免上述问题的发生。

4 结论

随着无人机技术的逐渐发展，给农业生产带来了巨大的生产效益与服务，提升农业生产效率与安全性能，但是目前存在无人机播种作业不成垄、果园病虫害防止效果较差等问题，针对以上问题，本研究提出未来应该在提升无人机飞行性能的同时健全无人机配套设施，提升无人机智能化建设水平与管理体系，为无人机在农业领域的应用提供技术支撑。