无人机技术在农业领域的运用

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0引言

无人机(UAV)，是指利用遥感设备及程序控制装置运行的不载人飞机，按照应用领域可以划分为军用无人机及民用无人机，其中，民用无人机在航拍、农业保护、灾难救援、监测及救灾等方面具有重要的作用，可以适用于复杂的工作环境及执行危险任务［1］。无人机在农业生产中应用起步较早，最初是进行大面积农田及森林的航空植保，随着后期无人机技术的逐步发展，目前在农业安全、作物产量评估、病虫害预警等方面发挥出不可替代的优势［2－3］。本研究首先对国内外无人机技术进行论述，明确无人机技术在我国农业生产中的主要应用范围及应用优势，针对目前农用无人机技术存在的主要问题及限制条件进行分析，提出未来我国无人机技术的主要发展方向。

1国内外农用无人机发展现状

1.1国外农用无人机发展情况

国外科学技术及农业生产较为先进，在无人机研究方面起步较早。其中，以德国研究起步最早，德国在20世纪开始使用飞机进行大面积林木的病虫害防治药剂的喷洒，并且采用飞机喷洒具有良好的防治效果［4］，之后，德国就一直使用飞机进行作物的病虫害防治。在同一时期，美国及俄罗斯也开始使用飞机进行病虫害的防治及研究，由于俄罗斯及美国农业多为大型农场，农业生产面积较为集中，因此采用飞机进行植保可以取得良好的作业效果，并逐步研制小型无人机植保机械。日本耕地面积小，人均耕地面积少，主要以水稻种植为主，农田标准化程度高，但是地块面积较小，不适合像美国、俄罗斯使用大型喷药机进行农药喷洒与病虫害防治，在此技术基础上，基于日本农业发展现状，研发小型无人驾驶植保机械进行农药喷洒与病虫害防治。在20世纪80年代日本就研制出小型无人驾驶喷粉机，一次可以携带20kg的农药进行航空防治［5］。截至2019年，日本已经自主研发相关航空质保机械共3120架，利用航空植保进行病虫害防治的农田面积超过167万hm2，一跃成为世界航空植保第一大发达国家。欧洲地区也快速进行相关农用无人机的研制与使用，并且提高无人机智能化水平，同时相继成立多家航空植保机械企业。目前，全球无人机生产制造商在市场上的占比份额如图1所示。但是21世纪以来，随着欧洲部分国家对农药使用政策的颁布，为了减少航空领域的生态环境污染，逐渐减少了对农用无人机的使用。

1.2我国农用无人机技术发展现状

我国航空植保技术起步研究时间较晚，1995年，我国首次从日本引入航空植保机械进行蝗虫防治工作，主要是以黑龙江与新疆为主，防治目标主要是农作物及林木的病虫害防治。在21世纪初，我国农业部提出明确要求，要加强航空植保机械的研究与发展，并对无人机植保机械的购买提供购置补贴。截至2021年，我国无人机使用推广辐射面积超过0.75亿hm2，农用无人机价格逐渐下降，租赁价格也在降低，提高了农用无人机的发展与应用范围。目前，我国各个地区都开始广泛使用航空植保进行病虫害防治、农业预警、作物产量评估及农业环境监测。

2农用无人机的主要应用范围

2.1航空植保

植保技术包括人工植保和植保机械。人工进行植保主要是依靠人工通过一定的喷洒机械在田间进行行走喷洒。植保机械主要分为田间植保机械与航空植保。田间植保机械分为自走式与背负式，工作效率低，尤其是在高大的农作物或者林木植保中，无法进行有效喷施。随着无人机的逐渐发展，航空植保开始逐渐应用。航空植保是指利用无人机携带相关药剂进行大面积病虫害防治与除草，可以用于大面积农作物种植，实现喷药、喷粉机超微量配药作业，具有防治效果好、工作效率高、使用成本低等优势。目前，无人机植保行业迅速发展，截至2021年销售量可达7.2万台，使用人次超过11万次，累计作业面积超过0.8亿hm2。但是在农药喷洒过程中，由于无人机喷洒的雾滴较高，容易受到降雨、风速、大气压力等环境因素的影响，因此，会使农药雾滴产生偏移，降低了农药使用效率及病虫害防止效果。针对以上问题，我国相关学者在2020年首次提出了“无人机喷药接触角”的概念，实现无人机喷药时的降准分析与定位，减少农药损失与农药雾滴偏移，目前该技术仍处于实验室阶段。

2.2作物产量评估

对作物产量进行合理预测对于保障我国粮食安全具有重要意义。目前，使用无人机航拍技术，结合图像识别技术与神经网络预测模型对作物产量进行预测应用较为广泛。首先，通过无人机与高速摄像机、数码相机等获取作物航拍图像，采用高光谱相继对作物冠层(如叶面积指数、生物量)、长势、土壤、气候等进行拍摄分析，基于人工神经网络模型，如BP(BackPropagation)神经网络等对作物产量进行预测，评估结果对于作物生产的整体管理措施调整及决策具有重要的指导意义。

2.3农业环境监测

近年来，随着社会的发展及工业生产的逐步扩大，生态环境污染问题日益突出，因此，环境监测与污染治理工作是农业生产及社会稳定的重要条件。随着无人机技术的不断进步，在农田环境检测等方面起到了重要作用。对于农业生态区域来说，传统的人工检测及测绘具有任务量重、工作效率低等问题，面积较大也给人工测绘带来了巨大的挑战。采用无人机技术对农业生态区域进行遥感影像的获取，可以提供农业生态环境全面高效的监测数据，从而可以使研究人员掌握不同农业生态区域的土壤、水质及气候条件，掌握不同生态区域的污染程度，同时结合遥感技术、光谱分析仪、通讯技术及GPS定位技术可以智能化、自动化、高效、快速地获取不同地区的农业生产地貌，对于农业合理布局及环境监测具有重要意义。

3发展趋势

3.1传感器融合技术

传统的单一传感器无法满足复杂的工作环境，因此在无人机的使用过程中，必须采用多种传感器共同作用进行数据测量与处理，工作原理如图2所示。多种传感器进行数据融合的处理方式可以在复杂的农业生产环境中，提高无人机跟踪、识别功能，在观测领域上覆盖范围更加广泛，多种传感器融合使用过程中，可以降低单一传感器在测量过程中所造成的的误差，提高稳定性与精确度。我国对于多种传感器数据融合技术研究起步较晚，目前主要应用于各种先进的导弹、卫星及大型无人机载体等，关于多传感器无人机控制算法类型如表1所示。未来在进行农业无人机研制及自动控制等方面应该使用多种传感器对各个部分进行控制，使无人机在复杂的农业生产环境中可以获取更加精准的数据信息，提高系统的控制精度，保证无人机在使用过程中具有较高的稳定性与准确性。

3.2无人机视觉应用技术

无人机视觉技术可以赋予无人机一定的观察力，无人机由传统的大面积植保逐渐转变为一种具有视觉感知及自动识别功能的机器。目前，一些国外发达国家已经对无人机安装激光雷达、多角度摄像机、超声波传感器等，借助无人机在航拍过程中获取周边环境图像，与人工智能控制及神经网络技术相互结合，达到自动识别的目的。例如，大面积病虫害的预警与识别，常见的稻飞虱、稻纵卷叶螟、稻瘟病等都可以在短时间内进行判别与预警，进而利用无人机植保技术进行特定地区的病虫害防治，高效、及时地控制病虫害的发生与蔓延。3.3培养专业无人机操作技术人员目前，农用无人机专业操作人员专业知识及相关操作技术不完善，对于作业效率与人员安全会产生一定的影响，因此，应该加强无人机专业操作人员的技术培训，在保证农田作业质量的同时，提高工作效率，降低由于操作失误造成的经济损失及人员安全问题。

3.4加强农用无人机的保养与维修技术

农用无人机属于农业机械的重要组成部分，应该按照农业机械定期保养与维护技术进行检查。在无人机使用结束后，对各个关键零部件进行检查，检查是否有连接件产生松动，检查是否有零件脱落和磨损，对于磨损和坏掉的零部件进行及时更换。检查完毕后，将无人机存放在遮阳避雨的位置进行保存并进行定期保养，可以延长无人机的使用寿命。

4结语

无人机技术与传统人工驾驶飞机相比，可以完成一些复杂环境下的航空任务，在农业植保、监控、救灾等方面发挥了不可替代的优势。在农业生产中，无人机集成高速摄像头、光谱分析仪及各类传感器等对大面积农田进行扫描评估，在农产品风险评估、病虫害预警及航空植保等方面具有不可替代的地位，对于帮助农户提高农业生产水平、降低农业风险与损失具有重要意义，未来无人机的发展还会在城市规划、物流派送、治安巡逻、工程建设、城市执法及管理等方面发挥重要的意义。

参考文献:

［1］赵传章，王鑫．浅谈无人机技术在地理国情监测项目外业调查中的应用［J］．测绘与空间地理信息，2021，44(10):218－219．

［2］葛丽玮．5G技术在农业发展中的应用研究［J］．农场经济管理，2021(10):17－19．

［3］张双虎．新一代传感技术让农业“耳聪目明”［N］．中国科学报，2021－09－28(003)．

［4］宾忠良．无人机在林业中的应用探讨［J］．现代农业科技，2021(20):115－116．

［5］张帅．农用植保无人机技术及应用特点［J］．当代农机，2021(9):23－24．

作者:刘书佳 吴彦睿 王方方 单位:长春市九台区农业机械化学校