無人機在精準農業中的關鍵技術及應用

孫鐵波

(江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇 淮安 223000)

0 引言

在現代農業生產中，無人機發揮出了不俗的效果，基于無人機構建的全新作業體系展現出了巨大的優勢，自動化水平的提升不僅有效降低了農民的勞動量，同時也提高了農藥噴灑、植物保護等方面工作的效果。無人機為農業的精準化和智能化發展提供了極大的助力，也為我國農業生產水平的提升做出了巨大的貢獻。

1 農用無人機技術概述

1.1 農用無人機的功能介紹

無人機是一種能夠通過遠程控制實現無人駕駛的飛行器，在農業領域，通過程序編寫配合無線電遙控可以幫助農民完成一些生產任務。目前，無人機在農業生產中的功能主要包括兩大類，分別是信息獲取以及農事操作。

信息獲取是指利用無人機對田地中農作物的生長狀況、土壤條件、病蟲害信息等進行采集，為生產決策提供參考依據。

農事操作是指利用無人機代替人工完成各項農事作業活動，這種方式可以有效地提高作業效率、質量，非常適合農業規?；a模式。而且無人機上設置的智能設備可以實現對農田信息的實時采集，使生產管理者可以針對實際情況作出有效的調整應對，實現精準農業。

1.2 無人機在精準農業中的主要應用領域

在精準農業中，無人機的應用領域主要包括4個方面：

首先，對農作物進行監測，為施肥提供資料依據。在現代農業生產中，施肥是保障農作物產量不可缺少的工作，肥料能夠為農作物提供其生長所需的各類養分，使其能夠進行正常的代謝。如何在最精準的時機施以足量的肥料一直以來都是農業生產中的一個關鍵性問題，因此在傳統農業中經常會出現施肥過量或是不足的問題。而裝置了圖像采集設備的無人機則可以對農作物的生長信息進行采集，幫助生產者及時發現農作物群體所表現出的異常狀況，通過數據庫分析確定農作物缺少的營養元素，之后準時、準確地進行精準施肥。

其次，對土壤狀況進行監測，為灌溉提供資料依據。水分同樣是農作物不可缺少的物質，土壤中水分含量是否適當影響著農作物的生長。生產者需要根據土壤的濕度情況以及農作物的習性，進行適當的灌溉工作，因此對土壤水分的監測就顯得至關重要，這項工作可以幫助生產者了解農作物是否存在缺水現象，需水量為多少，并在此基礎上選擇合理的灌溉方式，提高水分利用率。相較于傳統農業生產中的土壤濕度監測方法，無人機監測在范圍、精確度以及時效性方面都具有顯著的優勢。具體是通過裝載在機身上的可見光近紅外光設備，對土壤圖像進行對比分析獲得土壤的濕度信息，根據該信息采用科學的灌溉方式。

再次，應用于病蟲草害防治。無人機還可以對農田中存在的病蟲草害進行監測，現代化遙感技術以航拍的方式可以實現對大面積農田的有效覆蓋，獲得清晰全面的攝像資料，為農作物生長環境進行分析，及時發現病蟲草害狀況，針對性地采取管理措施。例如，江蘇省農科院和南京理工大學合作開發的微型無人機搭載特殊光譜分析儀，可以基于農作物葉片光譜發射率，對其是否患病以及患病的類型做出精準的判斷，進而采取相應的藥物治療措施。為了配合這一方案的實施，還建立了一個特殊的農作物病蟲害光譜庫，通過簡單的數據對比就可以快速確定農作物出現病蟲害情況。相較于傳統農業生產中所使用的監測設備，無人機監測的范圍更大，不僅實現了實時監測，而且基本上不受天氣因素的影響，有效地滿足了精準農業對病蟲草害防治的需求。

最后，應用于植物保護?，F代化農業生產中，植保是確保農作物產量的重要舉措，而傳統的人工和半機械化的方式已經無法滿足當前的需求，勞動強度大、作業效率低、農藥浪費、危害作業人員健康等弊端逐漸顯露出來。而無人機植保作業方式的出現則有效的解決上述問題，無人機植保徹底取代了人工作業的方式，降低了勞動強度，提高了作業效率。而且配合無人機所具有的信息采集功能，可以基于農作物的生長情況，對藥物噴灑量進行動態調控，并保障噴灑的均勻性。結合實踐研究來看，相較于傳統的植保方式，無人機植?？梢詫崿F20%～40%的農藥節省，同時作業效率可以實現10倍以上的提升，且不會出現藥物殘留的情況。除此之外，無人機植保方式的適用性極強，在大部分復雜的地形和環境條件下都可以發揮出不俗的效果。綜合來看，無人機植保方式的應用可以極大地提高植保作業的效率和質量，解決藥物殘留問題，有利于農業的可持續發展。

2 無人機在精準農業中的關鍵技術介紹

2.1 無人機超低空飛行控制技術

通過上文分析闡述我們已經了解到，無人機在精準農業的施肥、灌溉、植保、病蟲草害防治等方面都發揮著巨大的作用，這些工作的精準實施都離不開信息的采集，由于農作物處于地表，因此想要獲取精確的信息資料，就需要使無人機保持長時間的低空飛行，這就涉及了超低空飛行控制技術的應用。在現代農業生產中，很多農田都存在較為復雜的地形條件，這對無人機飛行會產生一定的干擾。對此，需要在無人機中使用導航系統和飛行控制系統，確保無人機能夠有效規避不利的地形。在導航系統構建中，需要使用到激光設備，其作用是對地測距；GPS定位系統，其作用是精準定位，其精度最高可以達到厘米級。而飛行控制系統的作用通常是去除超低空環境中的強地效影響以及紊亂氣流影響。

2.2 航跡規劃計劃以及施藥量分析技術

想要在保障作業質量的前提下，最大程度的提高無人機作業的效率，就需要進一步提高無人機操作水平，即根據施藥的環境，進行自適應的航跡規劃，配合適當的引導完成預先設定的任務。以四邊形的作業區域為例，生產人員首先需要設置地面控制站以及作業區域4個定點位置的GPS。在確定GPS的坐標之后，根據作業覆蓋整個農田區域的要求，控制器進行在線航跡的規劃，根據規劃結果指引無人機完成相關操作，最終達到作業目標。

對于農作物所遭受的害蟲侵襲，可以借助無人機采集獲的高光遙感影像數據，對蟲害的發展情況進行監測了解，之后采取科學的對比策略，判斷蟲害的危險程度。對此，可以基于不同種類的作物，采取光譜檢驗的方式，根據光譜發射率的變化規律，確定施藥量。

2.3 噴灑荷載系統以及自動精準流控技術

在針對農作物開展低空噴霧作業的過程中，有一個關鍵性的問題，即提升藥液的霧化，同時控制霧滴的漂移，其目的是強化霧滴作用于農作物的穿透性，提高藥液在作物葉面的沉積率以及藥液的利用率。無人機低空飛行中可以實現對噴霧量的有效控制，而且還能夠基于作業的生長狀態，作出實時的噴施指令，借助可控制藥裝備，進行執行實施，通過對噴霧流量、壓力、高壓靜電等參數以及噴臂狀態的調整，以獲得最理想的噴施效果。而且，綜合無人機的飛行狀態信息以及施藥深度的要求，可以實時計算處是施藥電液的噴施流量。采用閉環比例控制設備對噴施的速度進行動態調整。在整個作業過程中，無人機上安裝的流量測量儀會將當前的噴灑流量數據采集、反饋并計算獲取最佳噴灑值，之后通過PI控制，實現高效精確的流量控制，提高藥液噴灑的均勻度。

3 當前階段我國精準農業中無人機應用發展的困境解析

隨著我國農業轉型發展的深入，無人機等現代化設備以及先進技術在農業生產中的應用變得越來越廣泛，迎合市場需求，從事無人機研究、生產的機構和企業也在增加。同時，中央出臺的關于加強農用航空建設的文件也為領域發展提供了契機。但是由于基礎薄弱，無人機在我國精準農業中應用時必然也遭遇了一定的困難，這也為農用無人機的發展指明了方向。

3.1 農用無人機技術不完善、設備可靠性低

目前，我國農業生產中所使用的無人機在操作便捷性、性能可靠性等方面均存在一定的不足，還無法達到美、日等發達國家的水平。例如，在飛行續航方面，我國所使用的農用無人機由于機身質量差，且搭載設備較多，使得其續航時間大幅度縮短，一般不超過1h，而且在作業中需要頻繁的降落進行電池的更換，嚴重影響了作業效率。而且這種行為會造成機身溫度的增加，損害無人機的使用壽命。再如，無人機及其承載部件對農藥的耐受性不足，由于現階段航空施藥的藥量精準控制以及漂移控制尚不完善，因此不可避免地會出現藥液污染機身的情況。除此之外，我國農用無人機的安全性保障功能存在缺失，如失聯返航、失控保護、自動避障、設置安全作業區域等功能均存在不足。

3.2 配套設施缺失、維護成本高昂

當前階段，我國農業生產中比較常用的無人機機型主要有單旋翼、多旋翼、油動力以及電池動力幾種。固然，無人機技術的應用使得農業生產效率、質量獲得了有效的提升，但是其制造成本也遠高于傳統的農業機械，而植保無人機的售價甚至高達5～20萬元，在我國基本上無法實現大范圍推廣應用。而且無人機使用涉及了很多專業技術，如飛控技術、動力技術等，專業性較強，想要良好使用，還需要參加培訓活動，掌握使用、維護、保養等方面的知識技能，這會使農用無人機的使用成本進一步增加，這是我國絕大多數農戶都無法承受的。

根據我國國情，過高的成本是阻礙農用無人機推廣的主要因素之一。另一方面，我國缺少專業的無人機操作人員。造成這種情況的深層原因是我國與農用無人機配套基礎設施尚不完善，極大阻礙了農用無人機的市場化和規?；l展。

針對以上2個方面的問題，未來一段時間我國農用無人機領域的發展應集中在研發2個方面：首先，加大農用無人機領域的研發投入，對關鍵技術進行攻關，提高無人機綜合性能，為農業生產提供更加有力的支撐。其次，加快完善農用無人機配套設施，包括社會化服務體系、人才培養機制、銷售服務體系等，促進無人機的推廣應用。

4 結語

在我國現代精準農業發展的過程中，想要最大程度地提高農業生產效率、質量，同時降低生產成本、控制環境污染，最有效的方法就是引入先進的技術設備，構建全新的農業生產體系、模式，如此才能將我國農業產業的潛力充分挖掘出來，實現農業的可持續發展。將無人機應用于精準農業中具有減少作業強度、有效控制病蟲草害、農田監測管理等多種改進效果，解決傳統農業生產存在的弊端。近年來，農用無人機在我國發展迅猛，但離大范圍推廣還有一段很長的距離，這需要進一步加強在該領域的研發攻關，在提升無人機性能的基礎上，對制造成本進行壓縮控制，同時完善社會化配套服務體系，加強專業操作人員培養。