任震宇,屈 東,唐真真
(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621000)
智慧農(nóng)業(yè)管理是把物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)運(yùn)用在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理中,即利用傳感器或者應(yīng)用軟件、利用移動(dòng)平臺(tái)和個(gè)人電腦平臺(tái)對(duì)農(nóng)作物實(shí)施管理,讓傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更加富有“智慧”。其中智慧農(nóng)業(yè)的主要板塊“農(nóng)用無(wú)人機(jī)”憑借其工作高效率省心省力的優(yōu)勢(shì)解決了市場(chǎng)的不同需求,為我國(guó)解決農(nóng)作物病蟲(chóng)害影響農(nóng)業(yè)種植問(wèn)題提供了巨大的幫助,緩解了農(nóng)業(yè)對(duì)于人力的解放同時(shí)也保證了糧食產(chǎn)量的提升,促進(jìn)了我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變[1]。不過(guò),雖然農(nóng)用無(wú)人機(jī)應(yīng)用表現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì),但同樣還存在一些問(wèn)題,如果不能有效解決這些問(wèn)題,那么今后農(nóng)用無(wú)人機(jī)的發(fā)展依然會(huì)受到限制[2]。
我國(guó)對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)起步較晚,載人飛機(jī)控制和無(wú)人機(jī)控制的總份額不到2%。這就反映出無(wú)人機(jī)的前景大有可為。就農(nóng)業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō),電動(dòng)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)有眾所周知的極飛,油動(dòng)的單旋翼農(nóng)用無(wú)人機(jī)有漢和、全豐,油動(dòng)大載重長(zhǎng)航時(shí)多旋翼農(nóng)用無(wú)人機(jī)有深圳常鋒、大疆,據(jù)統(tǒng)計(jì)僅極飛無(wú)人機(jī)就已在20萬(wàn)公頃農(nóng)田中發(fā)揮了重要作用,累計(jì)積累了大量的耕地?cái)?shù)據(jù)和用戶(hù)聲譽(yù),是中國(guó)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)公司[3]。
市場(chǎng)上銷(xiāo)售的農(nóng)用無(wú)人機(jī)有兩類(lèi),一類(lèi)是按動(dòng)力功率劃分,另一類(lèi)是按機(jī)型結(jié)構(gòu)劃分。
按動(dòng)力功率分為電動(dòng)、油動(dòng)和油電混動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)。電動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)價(jià)格相對(duì)實(shí)惠、易于護(hù)養(yǎng)、環(huán)保、電池可反復(fù)使用,該飛機(jī)主要依賴(lài)飛控系統(tǒng),對(duì)用戶(hù)遙控技術(shù)要求更低,因此在市場(chǎng)上大受歡迎[4]。相比之下,油動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)較昂貴,自動(dòng)化程度較低,易發(fā)生故障。對(duì)飛手飛行技術(shù)、護(hù)養(yǎng)技能要求較高且以汽油為燃料,不利于環(huán)保。但油動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)卻有載荷大、續(xù)航長(zhǎng)、單次作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)、抗風(fēng)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。隨著目前種植土地的規(guī)范化運(yùn)營(yíng)管理以及地面飛控系統(tǒng)的逐步完善,所以油電混動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的優(yōu)越性也就顯現(xiàn)了出來(lái)[5]。
按機(jī)型結(jié)構(gòu)可分為單旋翼、固定翼和多旋翼農(nóng)用無(wú)人機(jī)。單旋翼無(wú)人機(jī)的工作面積大[6-7],能在風(fēng)中保持平靜姿態(tài),但由于價(jià)格高,操作的復(fù)雜性不如多旋翼農(nóng)用無(wú)人機(jī)受歡迎。固定翼農(nóng)用無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于農(nóng)田信息收集、災(zāi)情預(yù)警、作物成熟度估測(cè)等。多旋翼無(wú)人機(jī)因?yàn)樽詣?dòng)化程度高、入門(mén)門(mén)檻極低、成本便宜的優(yōu)點(diǎn)大殺四方,唯一不足就是抗風(fēng)穩(wěn)定性較差且以目前技術(shù)而言農(nóng)藥噴灑效果較差,但依然受人喜歡[8]。農(nóng)用無(wú)人機(jī)的分類(lèi),如圖1所示。
圖1 農(nóng)用無(wú)人機(jī)的分類(lèi)
我國(guó)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)多為集約式農(nóng)業(yè),主要特征為因時(shí)因地制宜,精耕細(xì)作,以增加耕地利用率、增加單位面積生產(chǎn)為中心,并采用了良種、精耕、細(xì)管、多肥等一系列的科技措施,如圖2所示。在傳統(tǒng)農(nóng)藝研究與生產(chǎn)實(shí)踐中,我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)達(dá)到了古代世界的最高水準(zhǔn)[9]。
圖2 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植流程圖
智慧農(nóng)業(yè)也可理解為數(shù)字農(nóng)村+精準(zhǔn)農(nóng)業(yè),是以現(xiàn)代信息技術(shù)為手段,運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)智能科技和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù),對(duì)農(nóng)村的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)實(shí)施智能管控,進(jìn)而達(dá)到農(nóng)作物種植精細(xì)化、生產(chǎn)管控過(guò)程可視化、經(jīng)營(yíng)決策自動(dòng)化[10]。
以下從精耕、良種、細(xì)管、保護(hù)、豐收五個(gè)方面闡述智慧農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)框架,如圖3所示。
圖3 智慧農(nóng)業(yè)種植流程圖
(1)精耕:農(nóng)田測(cè)繪、田間環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤分析與墑情測(cè)定、平整地分析。
(2)良種:良種選擇、雜草識(shí)別、出苗分析、空穴普查。
(3)細(xì)管:植保作業(yè)監(jiān)管、可變追肥、農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)。
(4)保護(hù):病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物踩踏、夜視追蹤。
(5)豐收:氣候預(yù)估、產(chǎn)量預(yù)估、產(chǎn)量實(shí)測(cè)、根據(jù)成熟度規(guī)劃收割路線(xiàn)。
智慧農(nóng)業(yè)主要包括智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智慧農(nóng)業(yè)管理、智慧農(nóng)業(yè)信息服務(wù)等。其形成與當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速有關(guān),目前中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)已處于世界先進(jìn)水平。
基于農(nóng)用無(wú)人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)終端體系是以智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)為總平臺(tái),以衛(wèi)星定位為基礎(chǔ),用田間基站,農(nóng)用無(wú)人機(jī),智能農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋給智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái),進(jìn)而形成的閉環(huán)反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新調(diào)整的基于農(nóng)用無(wú)人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)體系[11],如圖4所示。
圖4 基于農(nóng)用無(wú)人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)體系架構(gòu)
遙感技術(shù)是識(shí)別探測(cè)目標(biāo)的技術(shù),是通過(guò)目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)來(lái)感知目標(biāo)的[12]。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是在無(wú)人機(jī)上安裝傳感器,可以迅速掌握土地、資源、環(huán)境地形地貌等信息,并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的分析處理,最后通過(guò)數(shù)據(jù)建模形成與之匹配的模型的綜合應(yīng)用技術(shù)[13]。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)由硬件、軟件和通訊系統(tǒng)組成。
無(wú)人機(jī)作為新型的遙感平臺(tái),近年來(lái)該技術(shù)發(fā)展速度很快,應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大[14]。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)普遍用于糧食作物檢測(cè)、農(nóng)田作物長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)。近年來(lái),無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)檢測(cè)和糧食產(chǎn)量評(píng)測(cè)等方面均有重大突破。
無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用是指通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上波譜通道的感應(yīng)器,對(duì)農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)同步成像的一類(lèi)遙感技術(shù),它把從目標(biāo)物上反射輻射的電磁波信號(hào),分為幾個(gè)波譜段加以接收并記錄。實(shí)現(xiàn)多光譜遙感的主要傳感器是多光譜攝像機(jī),每次拍照都可以產(chǎn)生多個(gè)不同光譜的影像[15-16]。
在過(guò)去的十年中,無(wú)人機(jī)(UAV)的發(fā)展和迅速崛起標(biāo)志著遙感技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代,它提供了前所未有的空間、光譜和時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是無(wú)人機(jī)最有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域之一。
人臉識(shí)別、車(chē)牌識(shí)別、車(chē)船監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤是無(wú)人機(jī)圖像識(shí)別的典型應(yīng)用,近年來(lái)隨著5G技術(shù)的更新,無(wú)人機(jī)識(shí)圖也逐漸在各行各業(yè)中體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。
圖像分離是無(wú)人機(jī)在識(shí)圖方面最基礎(chǔ)的應(yīng)用,它主要是通過(guò)圖像的像素計(jì)算特性來(lái)對(duì)像素進(jìn)行細(xì)分,從而使各個(gè)類(lèi)型的像素分離?;谛〔ㄗ儞Q的多像素劃分方式,首先對(duì)圖像的灰度直方圖進(jìn)行了小波多尺寸轉(zhuǎn)換,然后再由大的尺寸系數(shù)到較小的尺寸系數(shù),逐步定位出灰度閾值,如圖5所示。
圖5 圖像閾值分割流程圖
無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)識(shí)圖中通常是在無(wú)人機(jī)上搭載高清攝像機(jī),利用多旋翼無(wú)人機(jī)低空飛行,該相機(jī)鏡頭可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)空間分辨率的技術(shù)優(yōu)勢(shì),可對(duì)所抓拍的作物數(shù)碼影像紋理、色澤等空間資料特性進(jìn)行提取解析,可開(kāi)展農(nóng)作物葉面積指標(biāo)測(cè)算、不同生長(zhǎng)期的長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)、農(nóng)產(chǎn)品辨識(shí)等相關(guān)研究。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須對(duì)耕地開(kāi)展真實(shí)、全方位地檢測(cè)分析,運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)能夠給耕地生產(chǎn)提供真實(shí)的農(nóng)業(yè)信息,以此來(lái)指導(dǎo)耕作管理,通過(guò)對(duì)作物進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)的精確監(jiān)測(cè),進(jìn)行田間精細(xì)化管理,通過(guò)合理分配農(nóng)藥肥料來(lái)改善農(nóng)作物的生長(zhǎng)質(zhì)量,利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理種植,如圖6所示。
圖6 智慧農(nóng)業(yè)體系圖
無(wú)人機(jī)通過(guò)攜帶傳感器對(duì)地遙感監(jiān)測(cè)及時(shí)獲得精準(zhǔn)的田間信息,對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)、土地信息、農(nóng)作物災(zāi)情等實(shí)現(xiàn)有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)控,與衛(wèi)星遙感監(jiān)控和地面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)控系統(tǒng)互補(bǔ)共筑空天地的一體的監(jiān)控系統(tǒng),形成精準(zhǔn)的田間“診斷圖”,并根據(jù)田間實(shí)地狀況運(yùn)用到指導(dǎo)田間生產(chǎn)活動(dòng)中,引導(dǎo)田間生產(chǎn)管理,做到及時(shí)對(duì)糧食作物進(jìn)行精準(zhǔn)化施肥、施藥和澆水管理。該管理方式打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期處于被動(dòng)的地位。
據(jù)多名野生動(dòng)物保護(hù)專(zhuān)家組成的調(diào)查團(tuán)隊(duì)估計(jì),全省每年各地上報(bào)野豬致害7000-8000次,毀壞農(nóng)作物等造成的損失約2.15億元。今年北川、理塘已接連發(fā)生野豬傷人事件。針對(duì)該事件可在無(wú)人機(jī)上搭載野生動(dòng)物提示和驅(qū)趕系統(tǒng)用以保護(hù)人們的人身安全和保障糧食的產(chǎn)量,同時(shí)在無(wú)人機(jī)上搭載高清相機(jī)和各種傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)野生保護(hù)動(dòng)物的跟蹤及抓捕。
同時(shí),無(wú)人機(jī)具有精度高、熱捕獲速率快和反應(yīng)力敏銳等優(yōu)點(diǎn)。在無(wú)人機(jī)上搭載熱成像照相機(jī),用來(lái)獲取作物冠層溫度(見(jiàn)表1)。作物冠層溫度,是指作物冠層內(nèi)不同高度莖、葉表面溫度的平均值,是反映作物生理狀況的主要指標(biāo)之一。所以,可使用作物冠層溫度來(lái)檢測(cè)作物是否遭受水分脅迫和病害等不良環(huán)境因素的影響,再通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析針對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)合理分配資源。
表1 熱成像相機(jī)型號(hào)及應(yīng)用
4.1.1 缺少操作員
農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的飛行具有一定危險(xiǎn)性和難度,因此農(nóng)務(wù)人員需要進(jìn)行一定的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)才可以操作無(wú)人機(jī),專(zhuān)業(yè)飛行人員除了能夠操作無(wú)人機(jī),也需掌握農(nóng)作物的農(nóng)藥配比和噴灑量等。
4.1.2 續(xù)航載荷
在農(nóng)業(yè)作業(yè)中大多都是大范圍作業(yè),續(xù)航較短、載荷量較小、通信距離較窄等因素使得農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)難以推廣。
4.1.3 價(jià)格較高
農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)相比于普通無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō),續(xù)航能力載重能力和持續(xù)飛行能力更好,機(jī)身也需要有抗農(nóng)藥腐蝕的性能,所以農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的價(jià)格會(huì)更加昂貴,購(gòu)買(mǎi)后的無(wú)人機(jī)還需要保養(yǎng)和維修。
4.1.4 售后問(wèn)題
農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)售后很難得到保障,無(wú)人機(jī)出現(xiàn)故障,維修成本較高。
隨著社會(huì)的發(fā)展,農(nóng)村勞動(dòng)力短缺,老齡化進(jìn)程加快,農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)有望隨著生態(tài)環(huán)境和食品安全的旺盛需求而發(fā)展,越來(lái)越多的企業(yè)也將參與到航空設(shè)備保護(hù)領(lǐng)域,農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)將得到飛速地發(fā)展。將來(lái)的無(wú)人機(jī)也將更加智能化、精準(zhǔn)化,性能更加優(yōu)良。
4.2.1 無(wú)人機(jī)智能化
利用無(wú)人機(jī)上自帶數(shù)據(jù)探測(cè)處理系統(tǒng)分析農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。達(dá)到能自行按照植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行適量施肥和施藥,為無(wú)人機(jī)增加實(shí)時(shí)避讓技術(shù),加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),使控制系統(tǒng)智能化簡(jiǎn)單化,達(dá)到操作人員不需要進(jìn)行無(wú)人機(jī)操作的培訓(xùn)就可以操作使用。
4.2.2 作業(yè)精準(zhǔn)化
農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的農(nóng)用效果是其應(yīng)用主要因素之一,因此未來(lái)農(nóng)用無(wú)人機(jī)要更加精準(zhǔn)、高效地運(yùn)行,還要實(shí)現(xiàn)高速、精準(zhǔn)探測(cè),讓使操作人員的工作得到優(yōu)化。
4.2.3 優(yōu)化性能
提升蓄電池的容量,增加無(wú)人機(jī)的使用時(shí)間,降低故障率。根據(jù)不同作業(yè)設(shè)置對(duì)應(yīng)模式,強(qiáng)化無(wú)人機(jī)的噴灑裝置,生產(chǎn)噴灑專(zhuān)用藥劑,防止外部因素導(dǎo)致藥液漂移影響防治效果。
總體而言,平臺(tái)體系不完善,飛行穩(wěn)定性和自動(dòng)化水平不高,電子傳感器成本過(guò)高及無(wú)法做到平民化是目前我國(guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中要面對(duì)的主要問(wèn)題。農(nóng)用無(wú)人機(jī)噴施的霧滴、顆粒等游動(dòng)規(guī)律需要更加清楚。施肥、施藥等機(jī)載設(shè)備的作業(yè)控制技術(shù)水平也具有很大的提升空間。作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量估測(cè)以經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑橹?,且模型精確度、穩(wěn)定性等尚未獲得證實(shí)。為克服上述問(wèn)題,并推動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)中進(jìn)一步廣泛應(yīng)用,下列幾個(gè)方向?qū)⑹茄芯康年P(guān)鍵。
(1)無(wú)人機(jī)的個(gè)性化與智能化:無(wú)人機(jī)應(yīng)具備基本避障應(yīng)急處理功能,同時(shí)可根據(jù)用戶(hù)的個(gè)性化需求提供個(gè)性化組裝,讓其不僅只是在農(nóng)忙時(shí)發(fā)揮作用,還可達(dá)到一機(jī)多用的目的。(2)機(jī)載傳感器的低成本和輕小型化:從無(wú)人機(jī)續(xù)航和載重方面考慮,在逐步更替的過(guò)程中應(yīng)該做到體積小、通用價(jià)格實(shí)惠等特點(diǎn),只有這樣無(wú)人機(jī)才會(huì)在智慧農(nóng)業(yè)中得到普及。(3)機(jī)載農(nóng)機(jī)設(shè)備的智能化:考慮農(nóng)機(jī)設(shè)備在噴藥施肥等方面不能根據(jù)當(dāng)前該區(qū)域情況實(shí)施適當(dāng)計(jì)量作業(yè),無(wú)人機(jī)應(yīng)達(dá)到實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù),對(duì)農(nóng)機(jī)藥劑肥量用量等根據(jù)作業(yè)區(qū)域特征實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整。(4)不同監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)的融合與應(yīng)用:在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中僅用無(wú)人機(jī)一種探測(cè)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集有一定的局限性,很難準(zhǔn)確地判斷作物的具體情況,因此多平臺(tái)多數(shù)據(jù)的整合更有利于農(nóng)用無(wú)人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。
中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),每年在農(nóng)業(yè)上無(wú)論是人力還是物力都是一筆不小的投入,人力物力的消耗、科學(xué)技術(shù)的更新無(wú)不促使著中國(guó)小農(nóng)生產(chǎn)向農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡,而以農(nóng)用無(wú)人機(jī)為基礎(chǔ)的智慧農(nóng)業(yè)正是將來(lái)的大勢(shì)所趨。