无人机在精准农业中的应用现状分析

唐永海

(东丰县黄河镇综合服务中心(农机站)，吉林 东丰 136321)

0 引言

近年来随着科技快速发展，农业机械装备已经发生了快速的改变，尤其是随着农用无人机技术的应用与发展，给农业生产中病虫害防治、精准作业等提供了巨大的帮助，农用无人机具有结构简单、成本较低、操控方便等优势[1-3]，在农业生产中主要进行植保飞防与地面遥感等应用，可以完成航空植保、种子播撒、肥料喷洒等作业，在农业生产中得到了更加广阔的应用。

农用无人机在农业生产过程中，可以携带高清摄像装备执行航空拍摄任务，弥补传统农业生产中遥感卫星测量精度较低的问题，在农田环境监测、病虫害分析、作物长势分析等方面具有显著优势，农业生产者可以借助无人机进行低空航拍及时获得农作物长势情况，及时调整农业生产措施，保证农作物高产、稳产[4-5]。

1 农用无人机优点

1.1 适应性及通用性较强

农用无人机可以在环境恶劣、污染较为严重的区域执行生产任务，可以替代人工进行繁重、危险的工作任务，随着农业集约化、大型化发展，农业耕地逐渐集中，当大面积耕地出现病虫害，无法依靠人力进行快速防治，而使用农业植保无人机可以在最短的时间内解决大面积病虫害的问题，提高作业效率，对于实现粮食高产、稳产具有重要意义。

1.2 体积小，操作灵活，应用较为安全

植保无人机操作简单，起降方便，且对操作人员的培训周期短，对人员专业知识要求不高，利用植保无人机进行防治工作，可以保持人员远离作业区域，保证工作人员的身体健康，还可以减少农药残留造成的土壤、水流环境污染等问题，对实现精准农业发展、推动现代化农业进程具有重要意义[6]。

2 精准农业相关概念及发展意义

精准农业又被称为“精确农业”或“精细农业”，是20世纪80年代末由美国农业科学部门提出的，属于一种以高新现代管理技术为基础的农业微观管理方式，根据不同地区的农作物实际需要进行投入与管理。精准农业是以农业信息技术为支撑，根据农业空间变化，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作与管理的系统，属于一种综合集成的高科技农业应用系统。精准农业主要包括全球定位系统、农田信息采集系统、农业遥感监测系统、农田地理信息管理系统、农业专家管理系统、智能化农机装备系统、农田环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。

精准农业可以将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等高新技术与地理学、农学、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合起来，实现在当前农业生产中，对作物耕、种、收、加工、销售等进行全程模拟、监测、判断与预测等，从而实现提高农业资源利用效率，降低农业生产成本，改进农业生产方式及生态环境的目的，是实现农业现代化发展的必经之路。

3 无人机在精准农业中的应用

3.1 无人机自主精准降落方法研究

无人机自主精准降落是实现农用无人机精准作业的基础与必备条件，要实现农用无人机的自主、精准降落，需要在传统无人机执行平台的基础上增加图像采集装备及计算机控制系统。通过图像采集装备实时采集无人机飞行图像，基于视觉识别技术实现无人机精准降落与实时定位，主要结构示意图如图1所示。

无人机自主精准降落系统的主要工作过程主要分为四个主要步骤，主要工作流程如下。

1)初始化模块。首先对农用无人机各个模块进行检查，确保无人机各个组成部分都能正常工作，检查无误后开始无人机操作；

2)无人机起飞。按照无人机操作流程实施无人机飞行任务并执行工作；

3)自主识别与定位。无人机在开始执行飞防任务后，依据高清摄像装置等捕获无人机图像，并通过计算机控制系统进行数据处理与决策，进而实现对无人机飞行器的控制；

4)自主降落。当无人机执行完毕相关工作任务后，开始确定无人机降落点，不断降低飞行高度，当降落到一定高度时，确保与降落点对齐后进行快速降落，主要工作流程如图2所示。

图2 无人机自主精准降落系统工作流程图

计算机控制系统是无人机精准降落的重要技术之一，是实现农用无人机精准作业的重要保障，其计算机控制核心主要为分层控制，环环相扣，主要控制原理图入图3所示。

图3 无人机精准飞行控制工作原理图

3.2 无人机遥感下作物长势监测技术

对农作物实现动态长势监测，实时调整农业管理措施，是保证粮食高产稳产的重要条件。其中，作物的光合作用及叶绿素含量是保证作物生长发育的重要基础，直接决定着作物的产量与健康状态，同时可以反映出作物的营养状况，是指导农业生产管理措施的重要指标与控制策略。农作物病虫害是威胁农业生产安全的重要因素之一，也是制约农业发展及粮食产量提高的第一大自然灾害，病虫害一旦发生就会迅速蔓延，导致大面积作物感染发病，会造成粮食减产与经济损失。因此，高效、快速、科学地获取作物相关长势参数及病虫害检测模型，对于实现作物精准管理、精准施药及保障国家粮食安全具有重要意义。基于农业无人机的遥感采集数据系统主要由无人机飞行平台、各类传感器技术及地面控制系统组成。无人机飞行平台主要是搭载无人机飞行的主要载体，以目前常见的无人机飞行平台DJI-Matric 600 Pro为例进行相关技术参数介绍与分析。该飞行平台配备传感器系统及全球卫星导航系统，技术参数如表1所示。常见的飞行器高光谱成像系统采用Nano-Hyperspec，主要技术参数入表2所示。

表1 DJI-Matric 600 Pro 主要技术参数

表2 Nano-Hyperspec高光谱成像系统主要技术参数

3.3 无人机精准变量喷洒控制技术研究

精准农业是未来农业发展的主要方向与目标，在农业生产过程中，传统农药喷洒管理方式主要是依据农户经验判断是否进行病虫害防治及喷洒。另一方面，在进行农药喷洒过程中，依靠农户进行喷洒会造成农药喷洒不均匀，容易造成环境污染，严重时还会危害农户身体健康。采用无人机进行精准农药喷洒，可以提高农药喷洒的安全性与可靠性，无人机可以动态调节农药喷洒药量，目前常见的无人机精准变量喷洒装置主要基于PWM控制系统。

4 结论

随着农用无人机技术的应用与发展，为农业生产中病虫害防治、精准作业等提供了巨大的帮助。农用无人机具有结构简单、成本较低、操控方便等优势，在农业生产中主要进行植保飞防与地面遥感等工作，可以进行航空植保、种子播撒、肥料喷洒等，在农业生产中得到了广阔的应用，是保证农作物高产、稳产及发展精准农业的重要技术之一。本研究基于无人机相关特点及精准农业的发展特征，系统阐述了目前农用无人机在精准农业中的主要应用范围，主要包括农用无人机精准降落技术、作物长势监测技术及精准变量控制技术等研究结果对于推动农用无人机技术在精准农业的发展提供技术参考与理论借鉴。