無(wú)人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

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1無(wú)人機(jī)發(fā)展史

無(wú)人機(jī)的發(fā)展是經(jīng)過(guò)了幾個(gè)不同階段的應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)階段都會(huì)有相應(yīng)代表性的不同功能類型的無(wú)人機(jī)產(chǎn)物，如戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)、遙感無(wú)人機(jī)、植保無(wú)人機(jī)等。近些年無(wú)人機(jī)才漸漸被人們熟知，走進(jìn)人們的生活視線中。無(wú)人機(jī)的產(chǎn)生最早是用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)，是根據(jù)戰(zhàn)爭(zhēng)使用的戰(zhàn)斗機(jī)改造來(lái)的[6]，但是其價(jià)格較昂貴，成本較高。而后因?yàn)槠浔憬菪浴⑾冗M(jìn)性、成本相對(duì)降低，又被推廣應(yīng)用于民用領(lǐng)域[9]，如對(duì)不適合人員踏入的崎嶇偏僻山嶺的地質(zhì)地貌監(jiān)測(cè)，利用帶遙感的無(wú)人機(jī)對(duì)某地區(qū)的信息情況進(jìn)行獲取采集等。近些年，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已初步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，并取得了顯著的成就，有著光明的應(yīng)用前景[5]。國(guó)外將無(wú)人機(jī)推向農(nóng)業(yè)應(yīng)用嘗試還是較早的，首架用于農(nóng)業(yè)方面的無(wú)人機(jī)是由日本一家公司于20世紀(jì)90年明的，用于對(duì)田間進(jìn)行噴灑農(nóng)藥，預(yù)防蟲(chóng)害發(fā)生。這么多年來(lái)，逐步發(fā)展到對(duì)農(nóng)田進(jìn)行蟲(chóng)害以及自然災(zāi)害的防御[3]。因?yàn)樵谖覈?guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)還是遠(yuǎn)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水平，起步時(shí)間晚，應(yīng)用時(shí)間短，起初對(duì)較大型農(nóng)田、森林進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，使用的是有人機(jī)進(jìn)行操控。然而使用有人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥的噴灑，弊端是其噴灑范圍是有限的，但無(wú)人機(jī)就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，它不受地形大小的限制。無(wú)人機(jī)體積小，操作起來(lái)靈活、方便，可以隨時(shí)起降，更適合于不方便進(jìn)行地面操作的狀況，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中深受重視[10]。但是由于我國(guó)農(nóng)業(yè)歷史悠久，農(nóng)民思想傳統(tǒng)保守，還停留于依賴人工種植的舊方式[11]，沒(méi)有推廣使用先進(jìn)的高科技技術(shù)，用于農(nóng)業(yè)的無(wú)人機(jī)類型還比較單一[2]?；谶b感的無(wú)人機(jī)在某些方面要優(yōu)于遙感衛(wèi)星，如成本相對(duì)較低、操作方便、獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間短等。利用遙感可對(duì)農(nóng)作物的信息進(jìn)行獲取，如作物的生長(zhǎng)期、表型信息、覆蓋率等，為農(nóng)情監(jiān)測(cè)提供依據(jù)[12]；還可以將紅外、圖像分析等技術(shù)結(jié)合到無(wú)人機(jī)上進(jìn)行更精確地監(jiān)測(cè)與跟蹤，獲取更全面的地表、作物的信息，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理[2]。我國(guó)還應(yīng)大力研發(fā)更低成本、效率高的用于噴灑農(nóng)藥型的無(wú)人機(jī)，并在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛推廣，讓農(nóng)民早日擺脫農(nóng)藥的殘害，保障人們的人身安全，盡早地解放農(nóng)民的勞動(dòng)力、生產(chǎn)力[13]。

2無(wú)人機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)策

無(wú)人機(jī)之所以能在很多領(lǐng)域被大力推廣，是因?yàn)槠溆泻艽蟮膬?yōu)勢(shì)。然而因?yàn)闊o(wú)人機(jī)技術(shù)還處于起步時(shí)期，必然會(huì)存在一些問(wèn)題。深入了解了這些優(yōu)缺點(diǎn)，才能更好更快地推動(dòng)其發(fā)展[14]。

2.1優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)體型相對(duì)較小，方便攜帶移動(dòng)，運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較低，對(duì)作業(yè)環(huán)境條件要求不高，尤其適用于代替人去偏僻的山區(qū)以及交通不便的地區(qū)進(jìn)行工作，風(fēng)險(xiǎn)低，在飛行過(guò)程中如果發(fā)生快沒(méi)電的情況，它就會(huì)自動(dòng)停止工作進(jìn)行返航，保障了設(shè)備的運(yùn)行安全[2]。無(wú)人機(jī)的飛行高度可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)控，一般是垂直升降，靈活性好，在農(nóng)業(yè)中大多用于低空飛行，不受大氣干擾[15]，從航空角度快速地拍攝獲取并存儲(chǔ)視野廣闊的農(nóng)田的大量信息圖像，圖像的清晰度、分辨率較高，提供獲取的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確，便于之后監(jiān)測(cè)、跟蹤等分析工作的實(shí)時(shí)進(jìn)行，作業(yè)效率高。以無(wú)人機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工去獲取分析數(shù)據(jù)，不僅節(jié)省人力，效率高，時(shí)間短，防止人工造成誤差[16]，而且還能避免人工以及其他機(jī)械進(jìn)入田地對(duì)農(nóng)作物的損害。使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)工作，如噴灑農(nóng)藥，可以節(jié)省人力物力，不用農(nóng)民親自背上沉重的藥箱去田里噴藥。人工噴灑可能會(huì)造成噴灑不均勻、浪費(fèi)，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且自身還得做好防護(hù)措施，避免農(nóng)藥對(duì)人體造成傷害。使用無(wú)人機(jī)去田里噴灑農(nóng)藥，會(huì)避免這些問(wèn)題的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率，既節(jié)約環(huán)保又安全，灌溉作業(yè)也同樣有此優(yōu)勢(shì)[17]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用無(wú)人機(jī)，能夠幫助農(nóng)民提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)步。

2.2存在問(wèn)題及對(duì)策

即使無(wú)人機(jī)擁有上述許多明顯的優(yōu)勢(shì)，但還存在一些缺陷，發(fā)展不夠成熟。從無(wú)人機(jī)本身來(lái)說(shuō)，其飛行農(nóng)作的時(shí)間還是比較短的，飛行范圍也小，這樣會(huì)大大降低效率，而且其承載力不強(qiáng)，負(fù)載小，這樣會(huì)導(dǎo)致傳感器的數(shù)量少；且飛行過(guò)程中機(jī)翼旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生影響監(jiān)測(cè)的氣流，降低定位精度和獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。無(wú)人機(jī)的飛行也會(huì)受到天氣的影響，陰雨天和風(fēng)大的時(shí)候不易飛行，陰天光照強(qiáng)度不好，拍出的照片不夠清晰，影響數(shù)據(jù)的觀察分析，以及其他不明飛行物的干擾，嚴(yán)重的還可能會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)造成損壞[18]。同時(shí)，無(wú)人機(jī)的使用方面還受到許多的限制，如法律規(guī)定、操作人員的專業(yè)性等。由于無(wú)人機(jī)普及范圍還不是很廣，且存在一定的威脅性，所以有規(guī)定的限飛區(qū)域、高度[19]，對(duì)無(wú)人機(jī)的操控，還需要有一定經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員來(lái)進(jìn)行，否則會(huì)有危險(xiǎn)[10]。針對(duì)上述存在的缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究解決。為了提高無(wú)人機(jī)遙感定位精度以及獲取數(shù)據(jù)的精確度，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)搭載精度更高、性能更好，但重量較輕、集成度高的傳感器的無(wú)人機(jī)。為了使無(wú)人機(jī)的飛行工作時(shí)間更長(zhǎng)，可以將其體積設(shè)計(jì)的更小巧輕便，以及使用更清潔環(huán)保的能源供給[20]。為了避免無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中遭受外來(lái)物的侵襲影響，需要對(duì)其增添實(shí)時(shí)避讓技術(shù)，智能化地檢測(cè)危險(xiǎn)物，并及時(shí)采取措施避免無(wú)人機(jī)被損壞。政府也應(yīng)大力支持無(wú)人機(jī)的推廣使用，適當(dāng)放開(kāi)對(duì)無(wú)人機(jī)的約束政策，并鼓勵(lì)相關(guān)人員學(xué)會(huì)操控?zé)o人機(jī)[8]。以上述這些對(duì)策來(lái)促進(jìn)無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展。

3無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展成熟，在各領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛常見(jiàn)，范圍不斷擴(kuò)大，頻率不斷提高[21]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大致分為獲取農(nóng)作物相關(guān)數(shù)據(jù)信息的農(nóng)情監(jiān)測(cè)和進(jìn)行農(nóng)事操作兩方面來(lái)提高工作效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化。

3.1農(nóng)情監(jiān)測(cè)

無(wú)人機(jī)能夠結(jié)合遙感技術(shù)以進(jìn)行大范圍實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位，快速準(zhǔn)確地獲取需要測(cè)量的數(shù)據(jù)信息，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工觀察，前沿地進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)[9]。監(jiān)測(cè)結(jié)果也比較準(zhǔn)確，如作物長(zhǎng)勢(shì)、植被覆蓋率、病蟲(chóng)害的發(fā)生、土壤溫濕度等。對(duì)作物表型的研究，包括作物的葉面積、株高等，近年來(lái)成為農(nóng)業(yè)專家的研究熱點(diǎn)。通過(guò)觀察以航拍方式獲得的作物表型信息的圖像，能從一定程度上反映出作物的生長(zhǎng)狀況，進(jìn)而做出判斷，準(zhǔn)備后續(xù)的工作還能預(yù)估其產(chǎn)量，應(yīng)用前景廣闊[22]。對(duì)病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)，需要用到光譜傳感器對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，因?yàn)樽魑镌馐懿∠x(chóng)害侵襲的位置，其光譜特征會(huì)發(fā)生多樣變化，不同于健康作物表現(xiàn)的正常特征，通過(guò)早期發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，及時(shí)處理，能有效避免農(nóng)作物產(chǎn)量的降低。利用光譜傳感器的特征參數(shù)，可對(duì)水質(zhì)、土壤是否被重金屬污染以及被污染程度進(jìn)行檢測(cè)，還可對(duì)作物類別通過(guò)不同的特征進(jìn)行精準(zhǔn)分類。通過(guò)分析這些信息，管理者可提出針對(duì)性的對(duì)策，對(duì)不合適的措施進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提升經(jīng)濟(jì)效益，極大地推動(dòng)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展[23]。

3.2農(nóng)事操作

運(yùn)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)事，最顯著的例子就是對(duì)農(nóng)田進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃地噴灑農(nóng)藥，減少病蟲(chóng)害的發(fā)生。無(wú)人機(jī)可從高空對(duì)農(nóng)田作物進(jìn)行均勻合理地噴灑農(nóng)藥，不受地形的限制，穩(wěn)定性好。無(wú)論酷熱的夏日還是嚴(yán)寒的冬日，都不需要人親自去田地里工作，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)可以按照提前在控制系統(tǒng)設(shè)定好的航線進(jìn)行飛行，飛到目的地后，執(zhí)行噴灑農(nóng)藥的指令，操作方還可知曉噴灑工作的進(jìn)展[1]。機(jī)械噴灑較人工噴灑有明顯的優(yōu)勢(shì)，省時(shí)省力又省藥[24]。通過(guò)遙控?zé)o人機(jī)噴藥，操作人員可與農(nóng)田位置相隔較遠(yuǎn)，不會(huì)與農(nóng)藥有直接接觸，防止人員中毒傷害，安全可靠。并且在噴灑過(guò)程中也不會(huì)直接接觸到作物，避免對(duì)其造成損害，影響生產(chǎn)效率[25]。使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴灑，均勻有效，可減少水源和藥物的使用量，從而減少水的浪費(fèi)和污染，以及殘留農(nóng)藥對(duì)土壤的污染[25]，利于水土保護(hù)[23]，環(huán)保高效。運(yùn)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行施肥有同樣效果，還保障了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量[7]，提升農(nóng)業(yè)最終收益[26]。

3.3其他方面

除了上述提到的應(yīng)用范圍，無(wú)人機(jī)技術(shù)還可在地形測(cè)繪、農(nóng)業(yè)物流、播種、農(nóng)村規(guī)劃、雜交育種等方面提供幫助，應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，前途可觀[7]。

4結(jié)語(yǔ)

新型的無(wú)人機(jī)技術(shù)因其成本較低、操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高、準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢(shì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械以及人工勞作，適合目前農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，能廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。雖然我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)還處在發(fā)展階段，存在一些不足，但隨著科技的不斷創(chuàng)新、發(fā)展，這些問(wèn)題一定也會(huì)被攻克，技術(shù)會(huì)越發(fā)成熟。為了大力推廣無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，我國(guó)政府需對(duì)此技術(shù)進(jìn)行一定程度的宣傳，并且要從根本上支持，如降低一下無(wú)人機(jī)成本價(jià)格，使得農(nóng)民可以買(mǎi)得起、用得起，以及多研發(fā)一些農(nóng)業(yè)專用型無(wú)人機(jī)，加強(qiáng)應(yīng)用能力。

作者：郝雅潔 史維杰 趙明霞 呂致 胡欣宇 李富忠 單位：農(nóng)業(yè)大學(xué) 山西云時(shí)代技術(shù)有限公司