唐永海

(東豐縣黃河鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心(農(nóng)機站)，吉林 東豐 136321)

0 引言

近年來隨著科技快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械裝備已經(jīng)發(fā)生了快速的改變，尤其是隨著農(nóng)用無人機技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治、精準作業(yè)等提供了巨大的幫助，農(nóng)用無人機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操控方便等優(yōu)勢[1-3]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要進行植保飛防與地面遙感等應(yīng)用，可以完成航空植保、種子播撒、肥料噴灑等作業(yè)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了更加廣闊的應(yīng)用。

農(nóng)用無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，可以攜帶高清攝像裝備執(zhí)行航空拍攝任務(wù)，彌補傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遙感衛(wèi)星測量精度較低的問題，在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測、病蟲害分析、作物長勢分析等方面具有顯著優(yōu)勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以借助無人機進行低空航拍及時獲得農(nóng)作物長勢情況，及時調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，保證農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[4-5]。

1 農(nóng)用無人機優(yōu)點

1.1 適應(yīng)性及通用性較強

農(nóng)用無人機可以在環(huán)境惡劣、污染較為嚴重的區(qū)域執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)，可以替代人工進行繁重、危險的工作任務(wù)，隨著農(nóng)業(yè)集約化、大型化發(fā)展，農(nóng)業(yè)耕地逐漸集中，當大面積耕地出現(xiàn)病蟲害，無法依靠人力進行快速防治，而使用農(nóng)業(yè)植保無人機可以在最短的時間內(nèi)解決大面積病蟲害的問題，提高作業(yè)效率，對于實現(xiàn)糧食高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

1.2 體積小，操作靈活，應(yīng)用較為安全

植保無人機操作簡單，起降方便，且對操作人員的培訓周期短，對人員專業(yè)知識要求不高，利用植保無人機進行防治工作，可以保持人員遠離作業(yè)區(qū)域，保證工作人員的身體健康，還可以減少農(nóng)藥殘留造成的土壤、水流環(huán)境污染等問題，對實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)發(fā)展、推動現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進程具有重要意義[6]。

2 精準農(nóng)業(yè)相關(guān)概念及發(fā)展意義

精準農(nóng)業(yè)又被稱為“精確農(nóng)業(yè)”或“精細農(nóng)業(yè)”，是20世紀80年代末由美國農(nóng)業(yè)科學部門提出的，屬于一種以高新現(xiàn)代管理技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)微觀管理方式，根據(jù)不同地區(qū)的農(nóng)作物實際需要進行投入與管理。精準農(nóng)業(yè)是以農(nóng)業(yè)信息技術(shù)為支撐，根據(jù)農(nóng)業(yè)空間變化，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作與管理的系統(tǒng)，屬于一種綜合集成的高科技農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。精準農(nóng)業(yè)主要包括全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)、智能化農(nóng)機裝備系統(tǒng)、農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓系統(tǒng)。

精準農(nóng)業(yè)可以將遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計算機技術(shù)、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)等高新技術(shù)與地理學、農(nóng)學、生態(tài)學、植物生理學、土壤學等基礎(chǔ)學科有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)在當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對作物耕、種、收、加工、銷售等進行全程模擬、監(jiān)測、判斷與預(yù)測等，從而實現(xiàn)提高農(nóng)業(yè)資源利用效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，改進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式及生態(tài)環(huán)境的目的，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng)之路。

3 無人機在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 無人機自主精準降落方法研究

無人機自主精準降落是實現(xiàn)農(nóng)用無人機精準作業(yè)的基礎(chǔ)與必備條件，要實現(xiàn)農(nóng)用無人機的自主、精準降落，需要在傳統(tǒng)無人機執(zhí)行平臺的基礎(chǔ)上增加圖像采集裝備及計算機控制系統(tǒng)。通過圖像采集裝備實時采集無人機飛行圖像，基于視覺識別技術(shù)實現(xiàn)無人機精準降落與實時定位，主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

無人機自主精準降落系統(tǒng)的主要工作過程主要分為四個主要步驟，主要工作流程如下。

1)初始化模塊。首先對農(nóng)用無人機各個模塊進行檢查，確保無人機各個組成部分都能正常工作，檢查無誤后開始無人機操作；

2)無人機起飛。按照無人機操作流程實施無人機飛行任務(wù)并執(zhí)行工作；

3)自主識別與定位。無人機在開始執(zhí)行飛防任務(wù)后，依據(jù)高清攝像裝置等捕獲無人機圖像，并通過計算機控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與決策，進而實現(xiàn)對無人機飛行器的控制；

4)自主降落。當無人機執(zhí)行完畢相關(guān)工作任務(wù)后，開始確定無人機降落點，不斷降低飛行高度，當降落到一定高度時，確保與降落點對齊后進行快速降落，主要工作流程如圖2所示。

圖2 無人機自主精準降落系統(tǒng)工作流程圖

計算機控制系統(tǒng)是無人機精準降落的重要技術(shù)之一，是實現(xiàn)農(nóng)用無人機精準作業(yè)的重要保障，其計算機控制核心主要為分層控制，環(huán)環(huán)相扣，主要控制原理圖入圖3所示。

圖3 無人機精準飛行控制工作原理圖

3.2 無人機遙感下作物長勢監(jiān)測技術(shù)

對農(nóng)作物實現(xiàn)動態(tài)長勢監(jiān)測，實時調(diào)整農(nóng)業(yè)管理措施，是保證糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要條件。其中，作物的光合作用及葉綠素含量是保證作物生長發(fā)育的重要基礎(chǔ)，直接決定著作物的產(chǎn)量與健康狀態(tài)，同時可以反映出作物的營養(yǎng)狀況，是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施的重要指標與控制策略。農(nóng)作物病蟲害是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要因素之一，也是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展及糧食產(chǎn)量提高的第一大自然災(zāi)害，病蟲害一旦發(fā)生就會迅速蔓延，導(dǎo)致大面積作物感染發(fā)病，會造成糧食減產(chǎn)與經(jīng)濟損失。因此，高效、快速、科學地獲取作物相關(guān)長勢參數(shù)及病蟲害檢測模型，對于實現(xiàn)作物精準管理、精準施藥及保障國家糧食安全具有重要意義。基于農(nóng)業(yè)無人機的遙感采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、各類傳感器技術(shù)及地面控制系統(tǒng)組成。無人機飛行平臺主要是搭載無人機飛行的主要載體，以目前常見的無人機飛行平臺DJI-Matric 600 Pro為例進行相關(guān)技術(shù)參數(shù)介紹與分析。該飛行平臺配備傳感器系統(tǒng)及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，技術(shù)參數(shù)如表1所示。常見的飛行器高光譜成像系統(tǒng)采用Nano-Hyperspec，主要技術(shù)參數(shù)入表2所示。

表1 DJI-Matric 600 Pro 主要技術(shù)參數(shù)

表2 Nano-Hyperspec高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3.3 無人機精準變量噴灑控制技術(shù)研究

精準農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向與目標，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑管理方式主要是依據(jù)農(nóng)戶經(jīng)驗判斷是否進行病蟲害防治及噴灑。另一方面，在進行農(nóng)藥噴灑過程中，依靠農(nóng)戶進行噴灑會造成農(nóng)藥噴灑不均勻，容易造成環(huán)境污染，嚴重時還會危害農(nóng)戶身體健康。采用無人機進行精準農(nóng)藥噴灑，可以提高農(nóng)藥噴灑的安全性與可靠性，無人機可以動態(tài)調(diào)節(jié)農(nóng)藥噴灑藥量，目前常見的無人機精準變量噴灑裝置主要基于PWM控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

隨著農(nóng)用無人機技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治、精準作業(yè)等提供了巨大的幫助。農(nóng)用無人機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操控方便等優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要進行植保飛防與地面遙感等工作，可以進行航空植保、種子播撒、肥料噴灑等，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣闊的應(yīng)用，是保證農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及發(fā)展精準農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)之一。本研究基于無人機相關(guān)特點及精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展特征，系統(tǒng)闡述了目前農(nóng)用無人機在精準農(nóng)業(yè)中的主要應(yīng)用范圍，主要包括農(nóng)用無人機精準降落技術(shù)、作物長勢監(jiān)測技術(shù)及精準變量控制技術(shù)等研究結(jié)果對于推動農(nóng)用無人機技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)參考與理論借鑒。