杜芳芳 何曉平 陳曉明

摘要 ? ?無人機(jī)作為具有高靈活性、低成本的新型農(nóng)業(yè)監(jiān)測工具，為我國向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變提供了極大的幫助。應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)情、預(yù)估產(chǎn)量、防治病蟲害及噴灑農(nóng)藥等，極大地解放了勞動(dòng)力，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)進(jìn)一步向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。本文簡要闡述了無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中的應(yīng)用，并詳述了無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測的優(yōu)缺點(diǎn)，以期促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用有新的突破。

關(guān)鍵詞 ? ?無人機(jī)技術(shù);農(nóng)業(yè)監(jiān)測;優(yōu)劣勢(shì)分析

中圖分類號(hào) ? ?S127;S25 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）13-0172-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract ? ?As a new type of agricultural monitoring tool with high flexibility and low cost， UAV have provided great help for China′s transition to agricultural modernization and precision. The application of UAV technology can monitor farm conditions in real time， estimate yields， prevent pests and diseases， and spray pesticides， which greatly liberates labor and promotes China′s agriculture to further transform to modern agriculture. In this paper， the application of UAV technology in agricultural monitoring was briefly described， and the advantages and disadvantages of UAV technology in agricultural monitoring were introduced in details， so as to promote the new breakthroughs of UAV technology applying in precision agricultural.

Key words ? ?UAV technology; agricultural monitoring; analysis of advantage and disadvantage

我國作為農(nóng)業(yè)大國，種植規(guī)模龐大，而大規(guī)模種植的生產(chǎn)和監(jiān)測成本日益增加，為保證生產(chǎn)效率和社會(huì)需求的穩(wěn)定增速，農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)信息化趨勢(shì)已成為我國發(fā)展過程中的必經(jīng)之路[1]。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和圖像信息處理技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，人力成本逐漸增加，這就使得自動(dòng)化機(jī)械技術(shù)日益成熟，無人機(jī)作為一種新型的無人信息獲取載體，在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。近年來，無人機(jī)以成本小、速度快、精確度高、操作靈活、控制范圍大等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中還有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值，不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，同時(shí)能夠大幅度提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水準(zhǔn)，有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。圖1為現(xiàn)代小型無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用。

無人機(jī)在早期的社會(huì)發(fā)展中，主要在軍事戰(zhàn)爭領(lǐng)域有較大的利用空間[2]。無人機(jī)較以往的偵查方式，具有靈活和快速的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于無人機(jī)成本費(fèi)用昂貴、技術(shù)結(jié)合的成熟度較低以及缺乏穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，未在民間社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中進(jìn)一步應(yīng)用。當(dāng)前，隨著技術(shù)相對(duì)成熟和成本日趨下降，無人機(jī)技術(shù)逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域中，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大幅提升了農(nóng)作物的生產(chǎn)監(jiān)測效率，對(duì)病蟲害防治起到了至關(guān)重要的作用，極大地推動(dòng)了我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化和信息化的發(fā)展。但是我國無人機(jī)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還存在非常明顯的差距，因而無人機(jī)技術(shù)在我國還有巨大的發(fā)展空間。圖2為我國2015—2020年智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模增長趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2020年，我國的智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模將增長到268億元，年復(fù)合增長率達(dá)14.3%[3]。

1 ? ?無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中的應(yīng)用

近年來，由于農(nóng)作物種植面積巨大、分布范圍廣、人工勞動(dòng)費(fèi)用上升等，無人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測中有巨大的應(yīng)用空間。傳統(tǒng)農(nóng)情監(jiān)測工程存在實(shí)測工作量巨大、任務(wù)種類繁多、受人為影響因素較大、獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間周期長、準(zhǔn)確率較低等問題[4]，使得無人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，不僅能夠快速、精確地完成高分辨率的圖像采集、分析，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍覆蓋，同時(shí)完成多任務(wù)監(jiān)測，降低成本，具有很強(qiáng)的靈活性。無人機(jī)作為滿足日益增長的農(nóng)情監(jiān)測需求的重要載體之一，需要在農(nóng)情監(jiān)測中得到進(jìn)一步深入功能的開發(fā)和應(yīng)用。目前，無人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測中主要應(yīng)用于農(nóng)作物的病蟲災(zāi)害、生長趨勢(shì)及土壤監(jiān)測等方面[4]。

1.1 ? ?病蟲災(zāi)害監(jiān)測

農(nóng)作物病蟲災(zāi)害監(jiān)測作為農(nóng)情信息獲取的重要組成部分，監(jiān)測質(zhì)量極大程度上取決于監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量與信息處理方式。無人機(jī)作為新型遙感和測繪平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積農(nóng)作物的航拍作業(yè)，通過圖像采集獲取土地土壤信息及農(nóng)作物環(huán)境空氣信息。此外，還可以結(jié)合農(nóng)作物光譜、色彩及紋理特征對(duì)圖像進(jìn)行分析，得出作物的災(zāi)害分布情況和受災(zāi)面積，以便種植者能夠及時(shí)了解作物的受災(zāi)情況，采取相應(yīng)的防災(zāi)調(diào)整措施。尤其在災(zāi)害預(yù)防控制方面，可以通過及時(shí)采集、快速調(diào)整，幫助種植者全面掌握作物的病蟲災(zāi)害情況并開展防御。

無人機(jī)遙感技術(shù)就是通過搭載各種類型的傳感器，利用農(nóng)作物不同狀態(tài)下反射不同波長電磁波的原理，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)作物的狀態(tài)。Vogelmann等[5]早在1988年就將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于森林病蟲害監(jiān)測中，并取得了很好的效果，對(duì)于界定森林受病蟲害災(zāi)害情況給予了極大的幫助。王震、黃耀歡等[6-7]應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)，通過分析受不同災(zāi)害類型的森林樹木反射光譜特征發(fā)現(xiàn)，不同受害類型在特征波長上反射率存在明顯的差異。對(duì)于小麥條繡病的監(jiān)測，通過利用TM影像波段信息，可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[8]。通過無人機(jī)航拍影像、識(shí)別分析，構(gòu)建HSV色彩空間模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病蟲害的識(shí)別及等級(jí)劃分[9]。

1.2 ? ?作物生長及土壤監(jiān)測

作物生長是一個(gè)漫長而復(fù)雜的生物過程，了解作物生長環(huán)境是種植者的一項(xiàng)必要任務(wù)[10]。無人機(jī)對(duì)于作物的生長環(huán)境及土壤監(jiān)測能夠涵蓋作物的健康狀況、作物的元素含量、作物的生物量估測、種植面積覆蓋度的變化范圍和作物生長的基本狀況等一系列監(jiān)測指標(biāo)。無人機(jī)通過自身攜帶的攝影裝備獲取高分辨率影像，利用圖片拼接技術(shù)完成影像的組合，再通過圖像分析技術(shù)對(duì)農(nóng)作物的生長情況及周圍的環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，使種植者能夠及時(shí)獲取無人機(jī)反饋的影像信息，清晰明確的了解作物種植田情況，從而及時(shí)對(duì)作物的具體情況作出調(diào)整，利用更小的時(shí)間價(jià)值來獲取更高的組合收益。

目前，通過利用無人機(jī)拍攝獲取高分辨率的影像，可以分析監(jiān)測作物施肥后的生長狀況[11]。與此同時(shí)，還可以通過建立、生成相關(guān)的數(shù)學(xué)模型用于作物生長狀況的監(jiān)測[12]。植物的NDVI值常被應(yīng)用于植物生長狀況監(jiān)測及植被覆蓋度等方面，通過無人機(jī)攜帶多光譜傳感器得到作物的多時(shí)相影像并計(jì)算NDVI值，用于監(jiān)測作物的生長狀況及覆蓋度等信息[13]。張智韜等[14]利用無人機(jī)遙感技術(shù)，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，監(jiān)測植被覆蓋下的土壤含鹽量。楊珺博等[15]利用低空無人機(jī)遙感技術(shù)，精準(zhǔn)獲取冬小麥根域土壤含水量，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田的精準(zhǔn)灌溉。

2 ? ?無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

2.1 ? ?優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)移動(dòng)速度快，對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以很好地代替人工進(jìn)行特殊環(huán)境下的生產(chǎn)監(jiān)測作業(yè)，減少了監(jiān)測過程中對(duì)作物的損耗和人工費(fèi)用。無人機(jī)體型較小，方便操作人員攜帶和移動(dòng)，并且受天氣和地形影響較小，尤其為種植在高山、丘陵等復(fù)雜地形的農(nóng)作物監(jiān)測提供了巨大的便利，同時(shí)減少了設(shè)備的運(yùn)輸成本。表1給出了無人機(jī)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中所攜帶傳感器的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)[16]。近年來，4K攝像頭已經(jīng)廣泛應(yīng)用在無人機(jī)航拍中，提供了大分辨率的航拍影像，能夠進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)信息捕捉。此外，無人機(jī)較傳統(tǒng)的大型農(nóng)用監(jiān)測機(jī)可大幅節(jié)省成本。

2.2 ? ?劣勢(shì)

雖然無人機(jī)較人為監(jiān)測具有監(jiān)測精度高、范圍廣等優(yōu)勢(shì)，例如大疆無人機(jī)“御”Mavic 2專業(yè)版，可攜帶4K攝像頭，有效通訊距離為5～7 km，但在無負(fù)載情況下最大航行時(shí)間也只有30 min，續(xù)航時(shí)間的明顯劣勢(shì)是無人機(jī)在航拍過程中最大的“痛點(diǎn)”。同時(shí)，由于無人機(jī)極低的承載重量能力，限制了航拍效率的提升，而增加航拍頻次就增加了監(jiān)測的費(fèi)用。雖然無人機(jī)較傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)運(yùn)行的費(fèi)用下降，但是需要培養(yǎng)專業(yè)飛控手[17]，也在一定程度上增加了監(jiān)測的費(fèi)用。在對(duì)目標(biāo)種植區(qū)進(jìn)行監(jiān)測的過程中，無人機(jī)受客觀因素的影響會(huì)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的偏差，如受自然光光照影響較大，光線不好會(huì)影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在大霧、大風(fēng)、雨天等天氣情況下，受安全因素的影響，不宜飛行。

3 ? ?結(jié)語

無人機(jī)較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測設(shè)備具有安全性高、操作靈活的特點(diǎn)，能夠高效率地提供大規(guī)模影像信息數(shù)據(jù)、可適應(yīng)現(xiàn)代的精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，無人機(jī)載重性能和續(xù)航能力等薄弱之處也隨之體現(xiàn)出來。雖然無人機(jī)在監(jiān)測中的應(yīng)用存在一些明顯缺點(diǎn)，但是隨著技術(shù)發(fā)展越來越成熟，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測方面勢(shì)必發(fā)揮更大的作用，也會(huì)更加廣泛地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，更好地促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和改善。

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