李笑瑜 ，朱 俊 ，楊珍書 ，朱莉凱

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

1 基于無人機(jī)平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀

隨著科技的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，農(nóng)業(yè)的發(fā)展也逐漸向著數(shù)字化、無人化的智慧農(nóng)業(yè)方向轉(zhuǎn)變。智慧農(nóng)業(yè)是指通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、傳感器等技術(shù)手段，把信息化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全方位、全過程的感知、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和控制。無人機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的載體技術(shù)，也被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，成為一種全新的農(nóng)業(yè)管理手段?；跓o人機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確、高效地獲取農(nóng)田信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況，提高作物種植的效率和質(zhì)量，從而為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)注入新的活力，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)[1-2]。

1.1 無人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理方式相對(duì)較為耗費(fèi)時(shí)間和精力，相比之下，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)過程中具有以下優(yōu)勢(shì)[3-4]。

1）高度可控。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)具有作業(yè)高度低、飄移少、可空中懸停等特點(diǎn)，其飛行高度是可以控制的，可以獲取更多土地及植被信息，有效提高作物管理的效率，如噴灑農(nóng)藥時(shí)旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加物料對(duì)農(nóng)作物的穿透性，防治效果好。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物在生長(zhǎng)過程中的狀態(tài)，提供決策支持，從而優(yōu)化作物種植的效果。

3）整合數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)可以通過各種傳感器采集大量的數(shù)據(jù)，對(duì)作物地理信息系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)、土地信息等進(jìn)行整合，為數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)提供支持。

4）靈活性強(qiáng)。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)可以便攜式運(yùn)輸，可以在農(nóng)田中隨時(shí)啟動(dòng)，深度覆蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)服務(wù)。

5）安全性高。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)可用于監(jiān)測(cè)低海拔農(nóng)業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)作物保護(hù)和輔助授粉以生產(chǎn)種子。農(nóng)藥施用是最典型的應(yīng)用之一，效率比手動(dòng)噴灑更高，并且還避免了手動(dòng)噴灑中毒的風(fēng)險(xiǎn)。

6）作業(yè)效率高，節(jié)省藥量。農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)比傳統(tǒng)的噴灑技術(shù)更有效快捷，其旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生向下的空氣流，擾亂作物葉片，使液體更容易滲透進(jìn)去，農(nóng)藥用量減少20%以上，并可提供最佳的噴霧效果。在工作效率提高的同時(shí)，具有更有效的殺蟲效果。

1.2 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景

無人機(jī)可以有效地提高勞動(dòng)效率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)型與升級(jí)，成為農(nóng)業(yè)智能化的重要推動(dòng)力?；跓o人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智慧農(nóng)業(yè)模式在各種生產(chǎn)方面都有著非常廣泛的應(yīng)用，包括養(yǎng)殖業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等。

1）農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)。采用無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智慧農(nóng)業(yè)模式中，農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)是其最主要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。借助無人機(jī)掛載光學(xué)鏡頭進(jìn)行高空拍攝，通過高分辨率的圖像記錄下農(nóng)田作物的生長(zhǎng)情況，包括各農(nóng)田地塊內(nèi)植被變化、植被覆蓋度、病蟲害區(qū)域等，快速準(zhǔn)確掌握作物生長(zhǎng)的趨勢(shì)和規(guī)律。結(jié)合影像信息分析，及時(shí)獲取農(nóng)作物的水分、養(yǎng)分等重要信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的依據(jù)，滿足精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥等生產(chǎn)管理要求[5]。

2）農(nóng)場(chǎng)地形、森林資源調(diào)查。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，借助無人機(jī)技術(shù)能夠發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。使用無人機(jī)實(shí)測(cè)和數(shù)字化的方法，可以通過提供高分辨率的地圖、地形模型，使現(xiàn)有的農(nóng)田土壤成分、境內(nèi)地形優(yōu)勢(shì)、是否適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等信息完全顯現(xiàn)；同時(shí)，也能夠直觀顯示出道路、河流、建筑、森林等資源信息，為農(nóng)田的規(guī)劃和資源利用提供了可靠數(shù)據(jù)[6]。

3）植保、作業(yè)管理。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要進(jìn)行植保，以保證作物的安全生長(zhǎng)。采用無人機(jī)進(jìn)行植保，可大大提高作業(yè)效率。如將無人機(jī)與植保農(nóng)藥噴霧裝置結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行、自動(dòng)作業(yè)、自動(dòng)充電等多種功能，使植保過程變得更加節(jié)約時(shí)間和人力成本。此外，通過無人機(jī)噴霧，減小了土地污染面積，減少了對(duì)作物的傷害，提高了植保效果。

4）土地利用調(diào)查。無人機(jī)飛行可以快速收集土地類型、植被、土地質(zhì)量、污染情況等信息，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，協(xié)助政府及農(nóng)業(yè)企業(yè)科學(xué)決策，從而制定土地利用政策，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加有針對(duì)性的方案。

2 基于無人機(jī)平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

基于無人機(jī)平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)通常要具備信息感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理和任務(wù)執(zhí)行等主要功能。信息感知是整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過各種土壤墑情傳感器、氣象監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)?？蓪?shí)時(shí)獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息，包含空氣的溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速、降雨量、光照等，以及土壤的溫度、濕度等，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況。數(shù)據(jù)傳輸功能能夠保障整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)通信體系構(gòu)建，通過4G、5G等無線技術(shù)傳輸智能感知子系統(tǒng)所獲取的各種信息[7]。數(shù)據(jù)分析處理功能主要體現(xiàn)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、數(shù)據(jù)可視化顯示、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)生成等，該功能模塊是整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的信息終端，可以遠(yuǎn)程了解、處理和分析獲取的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的各種信息，進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉、灌肥等指導(dǎo)，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、作物追蹤溯源、病蟲害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境視頻監(jiān)控等功能，并通過數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)以數(shù)據(jù)、圖片、視頻等形式可視化顯示。任務(wù)執(zhí)行環(huán)節(jié)是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵流程之一，主要利用智能灌溉、精準(zhǔn)灌肥的植保無人機(jī)和用于農(nóng)田病蟲害、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)的測(cè)繪無人機(jī)[8]，在收到相應(yīng)數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

3 信息感知功能

無人機(jī)精準(zhǔn)執(zhí)行農(nóng)業(yè)灌溉、植物保護(hù)、農(nóng)情監(jiān)測(cè)等任務(wù)，前端傳感器獲取的有效信息是極為重要的，因此，傳感器是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的重要組成部分。具有不同特定功能的傳感器組成了感知系統(tǒng)，感知系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物視頻圖像、大氣溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、土壤溫濕度、電導(dǎo)率、pH值、土壤墑情等參數(shù)。通過對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息同步獲取、存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)直觀呈現(xiàn)及管理，為及時(shí)灌溉和適量灌溉、作物最佳生長(zhǎng)條件改善等提供參考[9]。

1）土壤墑情傳感器。土壤墑情又叫土壤水分，土壤墑情傳感器主要用來測(cè)量土壤容積含水量，農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域常用的主要是FDR型傳感器。土壤墑情傳感器通常體積小巧，安裝和維護(hù)方便，測(cè)量精度較高。通常將監(jiān)測(cè)端控制電路預(yù)埋在靠近作物根部的位置，將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳至控制器，控制器產(chǎn)生相應(yīng)的決策。

2）氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器。該傳感器可以實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)空氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)參數(shù)，現(xiàn)在大多采用一體化氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器，其內(nèi)部集成了多個(gè)傳感器，可以同時(shí)測(cè)量、獲取多個(gè)氣象數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析。

3）光合和太陽總輻射有效輻射傳感器。光合有效輻射傳感器利用光電感應(yīng)原理，可用來測(cè)量一定光譜范圍的光合有效輻射。光合有效輻射是形成生物量的基本能源，直接影響到植物的生長(zhǎng)、發(fā)育、產(chǎn)量和質(zhì)量，通過該子系統(tǒng)可以測(cè)定并估算光合有效輻射，有助于估算植物的光合作用，也直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)產(chǎn)量能否進(jìn)一步提高。太陽總輻射感知是通過太陽總輻射傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的，測(cè)量接收地球平面上輻照度的一級(jí)輻射表，主要用來測(cè)量一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽總輻射。

4）蟲情監(jiān)測(cè)傳感器。此傳感器可以監(jiān)測(cè)定位蟲害區(qū)域、輔助監(jiān)測(cè)農(nóng)情等，在無人監(jiān)管的情況下，能自動(dòng)完成誘蟲、殺蟲作業(yè)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供現(xiàn)代化植保服務(wù)，滿足各類種植場(chǎng)景的防蟲、治蟲需求。

4 任務(wù)執(zhí)行功能

4.1 農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)組成

農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)由多旋翼飛行平臺(tái)、導(dǎo)航飛控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、地面遙控系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)組成，其中，執(zhí)行應(yīng)用任務(wù)的主要是任務(wù)載荷系統(tǒng)，包括農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)、種子播撒系統(tǒng)等[10]。

1）噴灑系統(tǒng)。無人機(jī)搭載噴灑、彌霧系統(tǒng)通常應(yīng)用在農(nóng)業(yè)植保任務(wù)場(chǎng)景中，目前也會(huì)應(yīng)用于噴灑消毒液、城市綠化養(yǎng)護(hù)等場(chǎng)景中。噴灑系統(tǒng)由藥箱、水泵和噴頭組成。無人機(jī)行業(yè)常見的噴灑系統(tǒng)有三類，即壓力泵與壓力噴頭的組合式、蠕動(dòng)泵與離心噴頭的組合式、蠕動(dòng)泵和彌霧噴頭的組合式。

2）播撒系統(tǒng)。近年來，集施藥、播種、撒肥等多功能于一體的農(nóng)業(yè)無人機(jī)正在成為智能農(nóng)機(jī)研發(fā)新熱點(diǎn)，眼下播撒更是備受農(nóng)戶關(guān)注。播撒系統(tǒng)主要應(yīng)用在種子播撒、草原草籽補(bǔ)播、固體肥料播撒、魚蝦塘飼料播撒、融雪劑播撒等領(lǐng)域，在地形復(fù)雜的漁業(yè)、林業(yè)領(lǐng)域也有眾多需求場(chǎng)景可待開發(fā)。無人機(jī)可根據(jù)用戶設(shè)置，調(diào)整播撒的行距和密度分布，結(jié)合人工智能算法可實(shí)現(xiàn)邊角處的均勻性，完成作業(yè)，效率高，可節(jié)省大量時(shí)間和人力成本，同時(shí)兼顧了均勻性、穩(wěn)定性和靈活多變的播撒設(shè)置。播撒系統(tǒng)市面上主要有三類，分別是離心播撒盤式、噴氣風(fēng)送式、螺旋送料甩盤式。離心式應(yīng)用離心力將物料甩出；風(fēng)送式利用高速氣流吹出物料；螺旋送料甩盤式是螺旋送料結(jié)合甩盤，也是利用離心力甩出物料。三種撒播方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前市面上無人機(jī)播撒裝置較多采用第一種離心播撒盤式，簡(jiǎn)單實(shí)用，但依靠物料自身重力送料，物料潮濕易發(fā)生黏滯，使得下料不通暢。

4.2 農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)選型

以土壤墑情數(shù)據(jù)為例，當(dāng)智能感知模塊獲取土壤墑情數(shù)據(jù)后，通過無線傳輸方式路由給數(shù)據(jù)分析處理模塊，并形成相應(yīng)的指令策略，農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)接收指令后，經(jīng)過分析計(jì)算，借助導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主航路規(guī)劃，打開噴灑系統(tǒng)，完成水分灌溉。

4.3 農(nóng)情監(jiān)測(cè)無人機(jī)選型

本研究的農(nóng)情監(jiān)測(cè)無人機(jī)主要是搭載多光譜成像儀，用于農(nóng)田測(cè)繪、病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警等。多光譜成像儀專門為低空遙感提供精確的多波段光譜數(shù)據(jù)，主要用于地物分類及半定量遙感。在執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取任務(wù)中，由飛控系統(tǒng)給出觸發(fā)指令，多光譜相機(jī)五個(gè)鏡頭同時(shí)記錄同一視場(chǎng)下的影像數(shù)據(jù)。多光譜影像不僅兼具了彩色影像的色彩信息和紋理信息，而且還具有較為豐富的光譜信息，將每個(gè)像素的反射信息按照波長(zhǎng)順序串聯(lián)起來即形成了對(duì)應(yīng)地物的光譜曲線。通過多光譜成像儀可以對(duì)農(nóng)田生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，迅速掌握農(nóng)作物健康狀況，進(jìn)行生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)，對(duì)蟲害及時(shí)預(yù)警，便于快速制定決策。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)又是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代信息科技的有機(jī)結(jié)合，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)水平直接影響著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度和質(zhì)量，在未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展中，無人機(jī)和智慧農(nóng)業(yè)的融合將會(huì)賦予農(nóng)業(yè)更多的科技智慧和全新思想。因此，發(fā)展無人機(jī)信息化管理系統(tǒng)、確定無人機(jī)科技創(chuàng)新方向，對(duì)于增強(qiáng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展內(nèi)生動(dòng)力、奠定智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)具有一定參考價(jià)值。