无人机技术在农业机械自动化中的应用

刘顺华 ，王延申

（许昌电气职业学院，河南 许昌 461000）

随着无人机技术的不断发展，其在农业机械领域中的应用越来越广泛，如土壤湿度分析、农药喷洒、农业植保等。为了提升农业机械效率，提高农业作业水平，就需要在农业作业中，利用无人机技术监测农作物的生长情况，监测土壤湿度和农田生态环境，科学施肥施药，实时采集作物生长数据，通过对数据进行统计和分析，便于农民掌握农作物的实际情况，采取有针对性的措施，以提高农业生产效率，提升农业机械作业的精准度，推动农村经济的发展。

1 无人机技术概述

无人机是由无线技术进行远程操作的一种非驾驶飞行器，具有电脑程序操控功能。通常，无人机没有座舱，但是配备了自动驾驶、程序控制等设备。在地面上，操作人员通过无线电、雷达等设备，实时控制、定位、跟踪和遥测无人机[1]。无人机的起飞模式有很多种，可以像正常的飞机那样滑翔，也可以通过火箭和助推装置捆绑升空，还可以通过母舰将其送上天空进行抛掷飞行，具有高灵活性、高效率性、高安全性、数据可靠性等特点。如今，在农业机械、军事侦察等方面，无人机已经得到了越来越多的应用。

2 无人机在农业机械中的应用现状

随着科技的不断进步，在农业机械领域中应用无人机技术，可以推进农业机械的自动化发展。目前，在我国北方地区，已广泛地使用了无人机进行作物喷洒作业，工作效率是传统农机设备的2 倍，而且具有更好的渗透性和喷洒性[2]。例如，内蒙古河套农业局采用了高分辨率的固定翼型无人机、多旋翼式无人侦察机等设备对5 个实验区的农田进行了空中拍摄，极大地提高了数据的准确性和科学性。国家环保部门使用了无人机的遥感技术对河道进行了实时监测和空中拍摄，传输回来的图像分辨率高达0.1 m。经过比较和分析，确定了5 个水土流失严重的区域，并据此制定了相应的防治措施，极大地提高了科学管理水平[3]。因此，将遥感技术、红外分析、高分辨率影像分析技术相融合，可以有效监控大片农田区域，并实时监测关键区域，提高了对农田数据的综合分析水平。

3 无人机在农业机械自动化中的优越性

3.1 提高信息的精确度

利用无人机开展农业机械自动化工作，可有效地提高信息的精确度，保证资料的安全性，确保各种农业作业的质量。在农业作业中，无人机技术可以采集到农作物的茎秆高度、茎秆直径、叶片大小和生长状况，也可以对土壤温度、土壤湿度、空气湿度、空气成分等数据进行监测。在采集到大量的资料后，这些信息会被传输至电脑，由电脑配合其他软件，以真实的信息为基础，构建出一幅立体的3D 图像。相关工作人员既可以对农业生产作业进行实时监控，又可以分析各种信息，从而保证农作物产量和品质达到预期效果。无人机技术的应用使得农业数据采集的速度和质量都得到了极大改善，监测的精确度也得到了极大提升。

3.2 降低费用

在农业机械自动化中采用无人机技术，使得农业作业的费用大为减少。现代化的无人机技术，彻底地颠覆了以往的农业作业方法，提高了农业作业的科学性和准确性。在农业作业中，农作物的喷洒是极其重要的一个环节，以往的喷洒工作都是由传统的农业机械设备来操作，这样的操作成本高，操作不便，喷洒效果不佳，而且极易受恶劣气候的影响，容易给操作人员带来安全隐患，容易导致喷洒工作的失败。而采用无人机技术可以有效地减少操作费用和人工费用，在没有任何约束的情况下，无人机可以进行各种喷洒工作，减轻农民的作业压力。

3.3 提升工作效率

采用无人机技术，可以减少传统农业手工作业流程，加快工作速度[4]。同时，各类软件的使用可以大幅度地减少错误，确保数据的准确性，使得数据更加安全有保障。我国地域广，地形复杂多样，农田喷洒难易度不同，利用无人机进行喷洒工作，克服了恶劣气候的影响，同时也能够保证在不同气候条件下的工作进度，确保农作物喷洒的顺利进行，比起常规的农机设备，无人机的续航时间更为长久，工作效率得到了全面的提升[5]。

3.4 节约用水

据统计，我国目前的农业用水总量已经达到了全国用水总量的65%，并且出现了大量的浪费水资源现象。为了解决当前水资源短缺的问题，国家发展了节水型农业。土壤湿度是一项能反映出地表与大气之间的热量、水汽输送的技术参数，利用它实时分析土壤的储水量，能预测本区域农业生产和农作物生长的需水量[6]。微型无人机飞行高度低，不受外部干扰。红外遥感、微波遥感等技术的应用使其在监控度和精确度上得到了提高。利用采集到的土壤影像进行对比和分析，可以得到土壤含水量及主要影响参数，并采取相应的防治对策，从而实现了生态效益与经济效益双赢。因此，使用无人机监测土壤湿度，对于推进节水型农业的发展具有十分重大的意义。

4 无人机技术在农业机械自动化中的具体应用

4.1 空中植保

农业机械领域中的植保技术主要有人工植保和植保机械。人工植保是以人为主体，借助某种农机设备在农田里进行步行喷洒。植保机械有田间植保机械和空中植保技术[7]。田间植保机械有两种：一种是自行行走型，另一种是背负型，这两种植保方式的工作效率较低，难以实现高效的喷洒。在无人机迅速发展的今天，空中植保技术已得到广泛运用。空中植保技术是指在无人机上搭载相应农药，对大范围作物进行喷洒，实现了喷药、喷粉机的超微化操作，防治效果好，工作效率高，使用成本低。目前，我国无人机植保业发展很快，根据农业农村部的调查，2021 年全国植保无人机保有量97 931 架，同比增长了39.22%。预计未来我国年飞防作业面积将达到50 亿亩次，全国将需要约30 万架植保无人机。但在农药喷洒中，由于无人机喷洒量高，容易受到降雨、风速、气压等环境因素的干扰，导致喷洒作业的位置发生偏差，降低了农药使用效率。为了解决上述问题，国内有关专家在2020 年率先将“无人机喷药接触角”的概念引入到无人机喷洒作业中，使其准确、科学地进行喷洒，降低了农药的损耗率[8]。

4.2 评估农作物产量

科学地预测农作物的产量，是保证国家农业生产安全的关键。目前，利用无人机技术，将遥感影像技术和神经网络预测模型相结合，在农作物产量预测方面得到了广泛的运用。首先在现代化的农业生产中，农作物的种植方式以及种植场所逐渐发生变化，而种植在大棚里的农作物，采用无人机技术进行作业，可监测作物冠层、水分、温度、土壤以及长势，以适应农作物的生长要求。接着通过无人机与高速摄像机、数码相机等获取作物航拍图像，再利用电脑技术对大棚的各种数据进行自动化的分析和处理，实现对农作物温度和光照的智能化调控，基于人工神经网络模型，如BP（Back Propagation）神经网络等对农作物产量进行预测，评估结果对于作物生产的整体管理措施调整及决策具有十分关键的指导意义。

4.3 监测农业环境

近年来，随着国家现代化进程的加快，我国生态环境问题日趋严重[9]。因此，监测农业环境对农业机械自动化发展起到了十分关键的作用。在农业生态监测中，由于传统的手工监测和绘制任务繁重，工作效率低，且地域庞大，使得手工监测工作难度增大。而利用无人机技术可以轻松获取农田生态环境的图像，收集农田生长信息，并结合人工智能等先进算法快速分析影像数据，为农业生态环境的实时监控提供全面、高效的信息。同时，无人机还可以实现农田全方位、多尺度、多频率的高分辨率多光谱监测。现有的农业监测系统大多使用基于单光谱波段的虚拟信息数据。然而，不同作物在不同的生长期有着不同的光谱响应模式，只有同时获取多个波段的光谱信息，才能较好地识别和监测作物生长状态。无人机可以搭载多个传感器，包括多光谱相机、红外相机、宽幅相机等，快速获取地面不同深度、不同波段、不同频率的图像数据，实现了多样化、多光谱、多因素监测，这对农业合理布局及环境监测具有十分重要的意义。

4.4 监测土壤湿度

监测土壤湿度是农业作业的关键环节，因为土壤湿度会影响农作物的生长。如果土壤过于干燥，作物可能受到温度变化、风吹和日晒的影响而无法生长；过度湿润的土壤会导致作物根部坏死、细菌和真菌繁殖，导致作物死亡。因此，监测土壤湿度可以及时确定作物是否需要更多的水和肥料等管理措施。以往，监测土壤湿度需要人工将传感器插入土壤中记录数据，这种方法耗时耗力且数据不够精准。而有了无人机技术，监测土壤湿度工作变得更加高效和精确。首先，无人机可以利用感测器扫描大面积土地，以获取土壤湿度的数据。感测器可以向下辐射微波信号来监测土壤湿度，收集数据后即时传输到监管站点或移动平台上，使管理员能够快速分析数据并及时做出农作物管理决策。其次，在无人机的配备传感器中，有些可同时测量多个参数，如土质、温度和湿度。这些传感器获取了土壤的多维数据，显示出不同土壤深度的参数，这些数据可以帮助管理者做出更为准确的作业判断[10]。

4.5 科学灌溉

灌溉是农业作业的基本操作。将无人机技术引入到农业机械中，可以使农业生产中的排水和灌溉实现自动化。无人机技术用于农业灌溉中，既能提高农业生产和灌溉的效果，又能有效地节省农业用水，从而推进节水型农业的发展。在进行农作物灌溉之前，有关部门可以根据农田面积、农作物的密度和农作物的生长需要，利用无人机技术采集农田数据，并自动地分析农田需水量，然后通过对农机设备的精确控制，科学地对农田进行灌溉。当需要灌溉较大面积的农田时，可以利用多架无人机完成多次任务协同作业，大量降低单次灌溉的成本与时间，并且可以按照农作物的种植状态，定时定量地进行作业。这样既能满足灌溉农业对于大面积水源、气象条件等的要求，同时也能促进农作物的生长，保证农作物的质量和产量。

5 结语

综上所述，农业机械自动化的普及，极大地提高了农业的生产效率，减轻了农民的劳动强度。无人机技术的应用给农业机械自动化的发展带来了极其广阔的发展前景。无人机技术是农业机械自动化技术中的关键技术，具有成本低、效率高以及范围广等特点。若将无人机技术应用到农业机械自动化中，不仅能够推进农业机械的自动化发展，让农业生产效率得到极大提高，还能够保障农业生产的标准化和科学化，把人工劳动强度降到最低，减少农业生产成本，以此推动农村经济的发展。因此，无人机技术在农业机械自动化中起到了十分重要的作用，相关工作人员应予以重视和推广。