精准农业中无人机技术应用研究

白雯鹏

（北京农田管家科技有限责任公司，北京市 100000）

0 引言

随着科学技术的不断发展，农业生产发展也逐渐向智慧化、精准化发展，在现代化的农业发展过程中，无人机技术的应用便展现出了巨大的优势，不仅有效降低了人力成本的投入，而且也在农药施用以及植保等方面发挥出良好的作用，将其有效应用于农业生产过程中能够在一定程度上减轻农业生产活动对环境所造成的不利影响，显著提升农业作业质量与效果，因此相关研发单位及工作人员应当加强对于无人机在精准农业中的关键技术研发与应用探索力度，不断优化其性能，进而有效助推精准农业的发展[1]。

1 无人机与精准农业的概念简析

1.1 农业无人机

无人机作为一种远程控制类的飞行器，其在飞行过程中不需要专人进行驾驶，而是只需要通过无线遥控设备以及其中安装的操控程序便能够完成各项操作指令，将其应用于农业领域中后，与其他生产作业设备相结合后便能够有效借助热成像仪器、摄像机以及光谱仪等器材，对农田信息以及作物信息进行高效地收集，并依托相应的计算技术进行科学分析，进而针对性地开展农业作业活动，同时农业无人机能够在一定范围内完成部分农事操作，使得农业生产效率得到有效的提升[2]。

1.2 精准农业

精准农业，也称精细农业或者精确农业，是一种通过高新技术手段进行微观、细致管理的农业生产发展方式，在精确农业中，农业生产者能够根据不同地区以及不同的作物特点进行精确化地管理。这一生产管理模式需要具备坚实的信息技术基础，同时结合现实中农业的客观空间变化情况，以实现对作物的精准定位、准确定时以及有效定量，进而提升现代农业生产管理与操作的水平，改善农业生产管理方式，提高农业生产管理过程中相关资源的实际利用效率，助推现代化农业的稳健发展。

2 无人机在精准农业生产中的主要应用

2.1 农作物生长监测方面

无人机在现代化农业生产中可应用于对农作物的实际生长情况进行监测，以便为后续的施肥作业提供客观参考。在农作物的生长过程中，及时进行施肥是保障作物最终产量的重要基础之一，而作物在各个生长阶段中所需要的肥料类别以及所需量等都会存在一定的差别，过量容易发生“烧苗”的情况，而不足则会导致作物的生长质量难以达到最佳，因此如何有效施肥一直广受农业生产者关注。借助无人机中的图像设备，农业生产者便能够对农田中作物的实际生长情况进行有效的信息采集，进而根据作物群体的所展现出的实际情况进行分析，确定当前农作物生长所缺元素，最后根据分析结果进行精准施肥[3]。

2.2 土壤环境监测方面

土壤中水分的含量会对作物的生长产生根本性的影响，因此农业生产者需要对土壤中的水分含量情况进行有效判断，并根据作物生长习性决定灌溉量以及灌溉次数等。科学的灌溉方案，不仅能够有效保障作物的生长质量，同时也能够有效提升水资源的利用效率，相较于传统农业生产模式中依赖于人工观察的方式，使用无人机中可见光近红外光设备，农业从业者便能够对实际监测到的土壤状态进行综合对比与分析，获得其中的水分含量情况，进而确定科学、适配的灌溉方案，提升农业生产质量。

2.3 病虫草害防治方面

遥感技术在无人机中进行有效应用后能够对农田中的病虫草害情况进行有效的检测，其主要原因在于无人机在进行航拍时，遥感技术便能够对农田进行大范围地覆盖扫描，进而获得全面且清晰的摄像资料，有助于农业生产者对农作物的具体生长环境展开观察，一旦发生病虫草害也能够及时发现，并通过针对性较强的措施进行解决。此外，光谱分析仪设备也能够对植物的叶片光谱反射率进行收集与观察，并在此基础上对作物是否患病、患病类型以及患病程度是否严重等进行较为准确地判断，在分析出结果后，便能够及时采取有效的药物治疗措施对作物发生的病害进行处理。而这样的监测较之于传统的人工检测，其效率更高，对于病害的判别也更为准确，因此往往能够将各类病虫草害消灭于忽微之时。

2.4 植物保护方面

在现代化农业生产过程中，植保无人机的研发与使用已成为热门研究领域，因为植保技术的有效使用是保障农产品产量及质量的重要措施之一。传统农业生产中人力以及半机械化的植保技术已经无法适应当前农业发展需求，低的作业效率以及农药资源浪费等弊端也逐渐暴露出来，而植保无人机在实际应用过程中所展现出的性能优势能够有效弥补上述不足，其不仅能够有效降低农业从业者的劳动强度，提升作业效率，同时也能够开展精细作业，根据植保作业的实际需要对药物的喷洒量以及喷幅幅宽等进行动态的调整，确保药物喷洒均匀，提升药物的使用精确度。在施药过程中，农业生产者也能够尽可能减少与药物的直接接触，进而保障从业者的身体健康。此外，植保作业过程中，无人机受地形地质条件的约束较小，因此也能够有效提升植保作业质量与效率[4]。

总而言之，农用无人机在精准农业生产与发展过程中的应用的实际效率较高，如表1所示，因此在近几年间该行业得到了较为迅猛的发展。

表1 传统农机与无人机应用比较

3 无人机在精准农业中的关键技术简析

3.1 超低空飞行控制技术

前文中笔者已简要阐述无人机在农业生产的作物生长监测、土壤监测、病虫草害监测以及植保方面的作用，而这些功能的有效发挥离不开信息采集技术的支持，而在对农作物信息进行采集时，无人机通常都需要保持长时间、超低空的飞行状态，如此一来便涉及了对于超低空飞行控制技术的有效应用。我国的农业耕地类型较为丰富，而其中山地、丘陵地带的耕地地形条件较为复杂，这对于无人机的低空飞行会产生一定的干扰。因此，无人机研发人员需要对无人机中的导航系统、飞行控制系统以及避障系统等系统的功能进行不断的优化，使其能够有效规避飞行过程中所面临的不利情况。无人机技术中的激光设备通常用于测量距离，例如无人机的对地距离以及与农作物之间的距离等，而飞行控制技术主要作用便是协助无人机规避在超低空飞行过程中受到的紊乱气流以及强地效的影响（图1）。

图1 无人机的低空作业

3.2 航线规划技术

无人机的实际应用效果与预期航线规划有着密切的联系，例如在开展药物喷洒作业时，农业从业者便需要结合GPS定位技术，对无人机的航飞区域进行确定，进而开展精确化的农业生产作业。例如，在开展四边形农田的区域施药作业时，农业从业者首先需对地面控制站点和作业区域四个顶点的位置进行确定，通过GPS定位系统使无人机中的控制程序了解作业区域范围，之后便能够根据获得的GPS坐标、实际作业环境以及相应的作业要求等，科学规划无人机航线并完成对预定范围内作物的施药作业[5]。而在系统完成规划后，无人机便可按照预设航线对区域内的作物进行施药。

3.3 喷洒荷载以及智能流控技术

在开展低空喷洒药物作业时，药液的雾化效果以及喷洒效果将直接影响到作业的质量，因此新概念技术研发人员也将此技术作为重点研发内容之一，在提升药液雾化率的同时，对雾滴的飘移效果也进行有效控制，进而有效增强雾滴在农作物表面的沉积率以及药液的利用效率，提升作业质量，降低药液使用剂量，达到“降本增效”的目的。在此过程中，无人机便需要结合喷洒荷载以及智能流控技术对喷雾的实际流量、压力以及相应的高压静电等参数进行实时调整，以达到最佳的药液喷洒效果。这部分技术在实际应用时，还需要综合无人机制剂的航飞状况信息以及作物施药深度等客观因素进行分析，进一步确定具体的药液的实际喷洒流量，结合闭环比例控制设备对无人机的药液喷施速度进行动态的调整与控制，进一步提升施药均匀度[6]。

4 人机关键技术在实际应用过程中存在的挑战与发展前景

4.1 遥感技术硬件设备的优化与更新

在无人机的实际应用中，遥感技术的应用是最为基础的，而传感器作为遥感控制系统硬件设备中重要的组成部分，其性能将对无人机整体的性能产生较大的影响。目前，在精准农业中使用的无人机，其所配备的传感器多为光谱传感器，而对于高光谱遥感技术热红外成像仪以及激光雷达等设备的应用较少，主要原因便在于这部分传感器所需成本较高，且相对重量更重，安装在农业无人机中进行使用的性价比并不高，但随着精确农业生产发展要求的不断提升，传统的传感器硬件设备已难以有效满足实际需求，因此需要进行深入研发，追求优化。

4.2 续航时间的延长以及路径算法的优化

农业无人机在实际的研发过程中还存在一项较为重要的挑战便是其电池续航时间的有效延长。目前，市面上的农用无人机续航时间均较为短暂，单次航飞路径难以完成大范围的作业，并且在此过程中，无人机还会因为其中平衡控制系统的算法精确度不理想而影响其飞行的稳定性，进而出现漏拍、重拍的情况，对于最终的摄像效果与质量造成不利影响。因此，相关研发人员需要加强对于无人机续航时间以及路径算法的研究，使其进行不断的优化，确保无人机能够在精准农业生产发展过程中有效发挥其价值，提升其应用时效性。在未来的研发中，农用无人机的成本应当逐渐趋于降低，而相应的性能则需要得到不断的提升，进而有效满足精确农业发展需求。

4.3 信息处理的自动化与智能化发展

在现阶段的无人机遥感技术应用时，能够获取的图像以及影像资料的幅度较小、数量较多，并且资料之间的倾斜角以及重叠度等也会存在一定的问题，而这部分因素的叠加，便会使得农业从业者所获资料的拼接难度以及校正难度大幅提升，因此在后续的无人机相关技术研发中，研发人员可加强对于无人机影像信息自动化处理技术的研究，使遥感技术所获取的影像资料质量得到不断的提升，进而保障精准农业的发展质量。此外，目前对于作物具体生长信息进行监测时，所用技术多为光谱检测，通过检测到的光谱信息对作物的生长参数进行反演，但在此过程中，获取的遥感信息和农作物的实际生长参数之间的关系会受到模型的精确性以及科学性等因素影响，使得无人机在精确农业生产过程中的实际应用范围受到影响。因此，研发人员需要加强对于不同作物生长参数的研究，结合其实际生理生态特点，对无人机在不同农业生产类型中的应用进行功能的区分与细化，并不断加深对于遥感信息以及作物生长参数之间关系的研究，提升相应解析模型的应用精确度。

5 结语

精确化农业发展的主要目标，在于保障农作物生产效率即质量的基础上对生产方式进行不断的优化，助推作物的产量及质量得到升级与优化，最大化地提升农业生产效率，实现“降本增效”的目的，同时在此过程中还需降低农业生产对自然环境的污染程度。而实现此目标的主要途径便是将现代化的科学技术以及机械产品应用到农业生产发展过程中，探索出全新的生产体系与模式。因此，无人机研发单位、企业以及工作人员等需要加强对于相应技术的研究，提升农用无人机性能，以便进一步挖掘农业生产发展潜力，优化产业结构，实现现代化农业的稳定发展。