農(nóng)業(yè)監(jiān)測無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)劣勢

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摘要：無人機(jī)作為具有高靈活性、低成本的新型農(nóng)業(yè)監(jiān)測工具，為我國向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變提供了極大的幫助。應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)情、預(yù)估產(chǎn)量、防治病蟲害及噴灑農(nóng)藥等，極大地解放了勞動力，推動我國農(nóng)業(yè)進(jìn)一步向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。本文簡要闡述了無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中的應(yīng)用，并詳述了無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測的優(yōu)缺點(diǎn)，以期促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用有新的突破。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)技術(shù)；農(nóng)業(yè)監(jiān)測；優(yōu)劣勢分析

我國作為農(nóng)業(yè)大國，種植規(guī)模龐大，而大規(guī)模種植的生產(chǎn)和監(jiān)測成本日益增加，為保證生產(chǎn)效率和社會需求的穩(wěn)定增速，農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)信息化趨勢已成為我國發(fā)展過程中的必經(jīng)之路[1]。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和圖像信息處理技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，人力成本逐漸增加，這就使得自動化機(jī)械技術(shù)日益成熟，無人機(jī)作為一種新型的無人信息獲取載體，在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。近年來，無人機(jī)以成本小、速度快、精確度高、操作靈活、控制范圍大等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中還有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值，不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，同時(shí)能夠大幅度提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水準(zhǔn)，有利于推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。圖1為現(xiàn)代小型無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用。無人機(jī)在早期的社會發(fā)展中，主要在軍事戰(zhàn)爭領(lǐng)域有較大的利用空間[2]。無人機(jī)較以往的偵查方式，具有靈活和快速的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于無人機(jī)成本費(fèi)用昂貴、技術(shù)結(jié)合的成熟度較低以及缺乏穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，未在民間社會生產(chǎn)活動中進(jìn)一步應(yīng)用。當(dāng)前，隨著技術(shù)相對成熟和成本日趨下降，無人機(jī)技術(shù)逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域中，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大幅提升了農(nóng)作物的生產(chǎn)監(jiān)測效率，對病蟲害防治起到了至關(guān)重要的作用，極大地推動了我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化和信息化的發(fā)展。但是我國無人機(jī)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還存在非常明顯的差距，因而無人機(jī)技術(shù)在我國還有巨大的發(fā)展空間。圖2為我國2015—2020年智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模增長趨勢，預(yù)計(jì)到2020年，我國的智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模將增長到268億元，年復(fù)合增長率達(dá)14.3%[3]。

1無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中的應(yīng)用

近年來，由于農(nóng)作物種植面積巨大、分布范圍廣、人工勞動費(fèi)用上升等，無人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測中有巨大的應(yīng)用空間。傳統(tǒng)農(nóng)情監(jiān)測工程存在實(shí)測工作量巨大、任務(wù)種類繁多、受人為影響因素較大、獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間周期長、準(zhǔn)確率較低等問題[4]，使得無人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測方面具有明顯優(yōu)勢，不僅能夠快速、精確地完成高分辨率的圖像采集、分析，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍覆蓋，同時(shí)完成多任務(wù)監(jiān)測，降低成本，具有很強(qiáng)的靈活性。無人機(jī)作為滿足日益增長的農(nóng)情監(jiān)測需求的重要載體之一，需要在農(nóng)情監(jiān)測中得到進(jìn)一步深入功能的開發(fā)和應(yīng)用。目前，無人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測中主要應(yīng)用于農(nóng)作物的病蟲災(zāi)害、生長趨勢及土壤監(jiān)測等方面[4]。

1.1病蟲災(zāi)害監(jiān)測

農(nóng)作物病蟲災(zāi)害監(jiān)測作為農(nóng)情信息獲取的重要組成部分，監(jiān)測質(zhì)量極大程度上取決于監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量與信息處理方式。無人機(jī)作為新型遙感和測繪平臺，可以實(shí)現(xiàn)對大面積農(nóng)作物的航拍作業(yè)，通過圖像采集獲取土地土壤信息及農(nóng)作物環(huán)境空氣信息。此外，還可以結(jié)合農(nóng)作物光譜、色彩及紋理特征對圖像進(jìn)行分析，得出作物的災(zāi)害分布情況和受災(zāi)面積，以便種植者能夠及時(shí)了解作物的受災(zāi)情況，采取相應(yīng)的防災(zāi)調(diào)整措施。尤其在災(zāi)害預(yù)防控制方面，可以通過及時(shí)采集、快速調(diào)整，幫助種植者全面掌握作物的病蟲災(zāi)害情況并開展防御。無人機(jī)遙感技術(shù)就是通過搭載各種類型的傳感器，利用農(nóng)作物不同狀態(tài)下反射不同波長電磁波的原理，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)作物的狀態(tài)。Vogelmann等[5]早在1988年就將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于森林病蟲害監(jiān)測中，并取得了很好的效果，對于界定森林受病蟲害災(zāi)害情況給予了極大的幫助。王震、黃耀歡等[6-7]應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)，通過分析受不同災(zāi)害類型的森林樹木反射光譜特征發(fā)現(xiàn)，不同受害類型在特征波長上反射率存在明顯的差異。對于小麥條繡病的監(jiān)測，通過利用TM影像波段信息，可以對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[8]。通過無人機(jī)航拍影像、識別分析，構(gòu)建HSV色彩空間模型，可以實(shí)現(xiàn)對作物病蟲害的識別及等級劃分[9]。

1.2作物生長及土壤監(jiān)測

作物生長是一個(gè)漫長而復(fù)雜的生物過程，了解作物生長環(huán)境是種植者的一項(xiàng)必要任務(wù)[10]。無人機(jī)對于作物的生長環(huán)境及土壤監(jiān)測能夠涵蓋作物的健康狀況、作物的元素含量、作物的生物量估測、種植面積覆蓋度的變化范圍和作物生長的基本狀況等一系列監(jiān)測指標(biāo)。無人機(jī)通過自身攜帶的攝影裝備獲取高分辨率影像，利用圖片拼接技術(shù)完成影像的組合，再通過圖像分析技術(shù)對農(nóng)作物的生長情況及周圍的環(huán)境進(jìn)行動態(tài)捕捉，使種植者能夠及時(shí)獲取無人機(jī)反饋的影像信息，清晰明確的了解作物種植田情況，從而及時(shí)對作物的具體情況作出調(diào)整，利用更小的時(shí)間價(jià)值來獲取更高的組合收益。目前，通過利用無人機(jī)拍攝獲取高分辨率的影像，可以分析監(jiān)測作物施肥后的生長狀況[11]。與此同時(shí)，還可以通過建立、生成相關(guān)的數(shù)學(xué)模型用于作物生長狀況的監(jiān)測[12]。植物的NDVI值常被應(yīng)用于植物生長狀況監(jiān)測及植被覆蓋度等方面，通過無人機(jī)攜帶多光譜傳感器得到作物的多時(shí)相影像并計(jì)算NDVI值，用于監(jiān)測作物的生長狀況及覆蓋度等信息[13]。張智韜等[14]利用無人機(jī)遙感技術(shù)，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，監(jiān)測植被覆蓋下的土壤含鹽量。楊珺博等[15]利用低空無人機(jī)遙感技術(shù)，精準(zhǔn)獲取冬小麥根域土壤含水量，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田的精準(zhǔn)灌溉。

2無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測的優(yōu)勢與劣勢

2.1優(yōu)勢

無人機(jī)移動速度快，對于環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以很好地代替人工進(jìn)行特殊環(huán)境下的生產(chǎn)監(jiān)測作業(yè)，減少了監(jiān)測過程中對作物的損耗和人工費(fèi)用。無人機(jī)體型較小，方便操作人員攜帶和移動，并且受天氣和地形影響較小，尤其為種植在高山、丘陵等復(fù)雜地形的農(nóng)作物監(jiān)測提供了巨大的便利，同時(shí)減少了設(shè)備的運(yùn)輸成本。表1給出了無人機(jī)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中所攜帶傳感器的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)[16]。近年來，4K攝像頭已經(jīng)廣泛應(yīng)用在無人機(jī)航拍中，提供了大分辨率的航拍影像，能夠進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)信息捕捉。此外，無人機(jī)較傳統(tǒng)的大型農(nóng)用監(jiān)測機(jī)可大幅節(jié)省成本。

2.2劣勢

雖然無人機(jī)較人為監(jiān)測具有監(jiān)測精度高、范圍廣等優(yōu)勢，例如大疆無人機(jī)“御”Mavic2專業(yè)版，可攜帶4K攝像頭，有效通訊距離為5~7km，但在無負(fù)載情況下最大航行時(shí)間也只有30min，續(xù)航時(shí)間的明顯劣勢是無人機(jī)在航拍過程中最大的“痛點(diǎn)”。同時(shí)，由于無人機(jī)極低的承載重量能力，限制了航拍效率的提升，而增加航拍頻次就增加了監(jiān)測的費(fèi)用。雖然無人機(jī)較傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)運(yùn)行的費(fèi)用下降，但是需要培養(yǎng)專業(yè)飛控手[17]，也在一定程度上增加了監(jiān)測的費(fèi)用。在對目標(biāo)種植區(qū)進(jìn)行監(jiān)測的過程中，無人機(jī)受客觀因素的影響會對監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的偏差，如受自然光光照影響較大，光線不好會影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在大霧、大風(fēng)、雨天等天氣情況下，受安全因素的影響，不宜飛行。

3結(jié)語

無人機(jī)較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測設(shè)備具有安全性高、操作靈活的特點(diǎn)，能夠高效率地提供大規(guī)模影像信息數(shù)據(jù)、可適應(yīng)現(xiàn)代的精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，無人機(jī)載重性能和續(xù)航能力等薄弱之處也隨之體現(xiàn)出來。雖然無人機(jī)在監(jiān)測中的應(yīng)杜芳芳等：無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中的應(yīng)用及優(yōu)劣勢用存在一些明顯缺點(diǎn)，但是隨著技術(shù)發(fā)展越來越成熟，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測方面勢必發(fā)揮更大的作用，也會更加廣泛地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，更好地促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和改善。

作者：杜芳芳 何曉平 陳曉明 常娜娜 張文清 單位：蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院