農業(yè)監(jiān)測無人機技術應用及優(yōu)劣勢

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摘要：無人機作為具有高靈活性、低成本的新型農業(yè)監(jiān)測工具，為我國向農業(yè)現(xiàn)代化、精準化轉變提供了極大的幫助。應用無人機技術可以實時監(jiān)測農情、預估產量、防治病蟲害及噴灑農藥等，極大地解放了勞動力，推動我國農業(yè)進一步向現(xiàn)代化農業(yè)轉變。本文簡要闡述了無人機技術在農業(yè)監(jiān)測中的應用，并詳述了無人機用于農業(yè)監(jiān)測的優(yōu)缺點，以期促進無人機技術在精準農業(yè)中應用有新的突破。

關鍵詞：無人機技術；農業(yè)監(jiān)測；優(yōu)劣勢分析

我國作為農業(yè)大國，種植規(guī)模龐大，而大規(guī)模種植的生產和監(jiān)測成本日益增加，為保證生產效率和社會需求的穩(wěn)定增速，農業(yè)機械化和農業(yè)信息化趨勢已成為我國發(fā)展過程中的必經之路[1]。在互聯(lián)網技術和圖像信息處理技術飛速發(fā)展的時代，人力成本逐漸增加，這就使得自動化機械技術日益成熟，無人機作為一種新型的無人信息獲取載體，在各行各業(yè)具有廣泛的應用價值。近年來，無人機以成本小、速度快、精確度高、操作靈活、控制范圍大等技術優(yōu)點，在農業(yè)生產中得到了廣泛應用。同時，無人機在農業(yè)中還有許多潛在的應用價值，不僅提高了農業(yè)生產效率，同時能夠大幅度提升農業(yè)現(xiàn)代化水準，有利于推動農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。圖1為現(xiàn)代小型無人機在精準農業(yè)領域方面的應用。無人機在早期的社會發(fā)展中，主要在軍事戰(zhàn)爭領域有較大的利用空間[2]。無人機較以往的偵查方式，具有靈活和快速的優(yōu)點。但是，由于無人機成本費用昂貴、技術結合的成熟度較低以及缺乏穩(wěn)定性等缺點，未在民間社會生產活動中進一步應用。當前，隨著技術相對成熟和成本日趨下降，無人機技術逐漸滲透到各個領域中，尤其是在農業(yè)領域得到了廣泛的應用，大幅提升了農作物的生產監(jiān)測效率，對病蟲害防治起到了至關重要的作用，極大地推動了我國農業(yè)機械化和信息化的發(fā)展。但是我國無人機技術與發(fā)達國家還存在非常明顯的差距，因而無人機技術在我國還有巨大的發(fā)展空間。圖2為我國2015—2020年智慧農業(yè)潛在市場規(guī)模增長趨勢，預計到2020年，我國的智慧農業(yè)潛在市場規(guī)模將增長到268億元，年復合增長率達14.3%[3]。

1無人機技術在農業(yè)監(jiān)測中的應用

近年來，由于農作物種植面積巨大、分布范圍廣、人工勞動費用上升等，無人機在農情監(jiān)測中有巨大的應用空間。傳統(tǒng)農情監(jiān)測工程存在實測工作量巨大、任務種類繁多、受人為影響因素較大、獲取數(shù)據(jù)的時間周期長、準確率較低等問題[4]，使得無人機在農情監(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，而且能夠實現(xiàn)大范圍覆蓋，同時完成多任務監(jiān)測，降低成本，具有很強的靈活性。無人機作為滿足日益增長的農情監(jiān)測需求的重要載體之一，需要在農情監(jiān)測中得到進一步深入功能的開發(fā)和應用。目前，無人機在農情監(jiān)測中主要應用于農作物的病蟲災害、生長趨勢及土壤監(jiān)測等方面[4]。

1.1病蟲災害監(jiān)測

農作物病蟲災害監(jiān)測作為農情信息獲取的重要組成部分，監(jiān)測質量極大程度上取決于監(jiān)測設備的質量與信息處理方式。無人機作為新型遙感和測繪平臺，可以實現(xiàn)對大面積農作物的航拍作業(yè)，通過圖像采集獲取土地土壤信息及農作物環(huán)境空氣信息。此外，還可以結合農作物光譜、色彩及紋理特征對圖像進行分析，得出作物的災害分布情況和受災面積，以便種植者能夠及時了解作物的受災情況，采取相應的防災調整措施。尤其在災害預防控制方面，可以通過及時采集、快速調整，幫助種植者全面掌握作物的病蟲災害情況并開展防御。無人機遙感技術就是通過搭載各種類型的傳感器，利用農作物不同狀態(tài)下反射不同波長電磁波的原理，進而實時監(jiān)測農作物的狀態(tài)。Vogelmann等[5]早在1988年就將無人機技術應用于森林病蟲害監(jiān)測中，并取得了很好的效果，對于界定森林受病蟲害災害情況給予了極大的幫助。王震、黃耀歡等[6-7]應用無人機遙感技術，通過分析受不同災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，可以對其進行實時監(jiān)測[8]。通過無人機航拍影像、識別分析，構建HSV色彩空間模型，可以實現(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

作物生長是一個漫長而復雜的生物過程，了解作物生長環(huán)境是種植者的一項必要任務[10]。無人機對于作物的生長環(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。無人機通過自身攜帶的攝影裝備獲取高分辨率影像，利用圖片拼接技術完成影像的組合，再通過圖像分析技術對農作物的生長情況及周圍的環(huán)境進行動態(tài)捕捉，使種植者能夠及時獲取無人機反饋的影像信息，清晰明確的了解作物種植田情況，從而及時對作物的具體情況作出調整，利用更小的時間價值來獲取更高的組合收益。目前，通過利用無人機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，還可以通過建立、生成相關的數(shù)學模型用于作物生長狀況的監(jiān)測[12]。植物的NDVI值常被應用于植物生長狀況監(jiān)測及植被覆蓋度等方面，通過無人機攜帶多光譜傳感器得到作物的多時相影像并計算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]利用無人機遙感技術，通過相關實驗分析，監(jiān)測植被覆蓋下的土壤含鹽量。楊珺博等[15]利用低空無人機遙感技術，精準獲取冬小麥根域土壤含水量，實現(xiàn)了農田的精準灌溉。

2無人機用于農業(yè)監(jiān)測的優(yōu)勢與劣勢

2.1優(yōu)勢

無人機移動速度快，對于環(huán)境的適應性較強，可以很好地代替人工進行特殊環(huán)境下的生產監(jiān)測作業(yè)，減少了監(jiān)測過程中對作物的損耗和人工費用。無人機體型較小，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、丘陵等復雜地形的農作物監(jiān)測提供了巨大的便利，同時減少了設備的運輸成本。表1給出了無人機在農業(yè)監(jiān)測中所攜帶傳感器的類型及其優(yōu)缺點[16]。近年來，4K攝像頭已經廣泛應用在無人機航拍中，提供了大分辨率的航拍影像，能夠進行快速的數(shù)據(jù)信息捕捉。此外，無人機較傳統(tǒng)的大型農用監(jiān)測機可大幅節(jié)省成本。

2.2劣勢

雖然無人機較人為監(jiān)測具有監(jiān)測精度高、范圍廣等優(yōu)勢，例如大疆無人機“御”Mavic2專業(yè)版，可攜帶4K攝像頭，有效通訊距離為5~7km，但在無負載情況下最大航行時間也只有30min，續(xù)航時間的明顯劣勢是無人機在航拍過程中最大的“痛點”。同時，由于無人機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)測的費用。雖然無人機較傳統(tǒng)農用機運行的費用下降，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)測的費用。在對目標種植區(qū)進行監(jiān)測的過程中，無人機受客觀因素的影響會對監(jiān)測數(shù)據(jù)產生一定的偏差，如受自然光光照影響較大，光線不好會影響采集數(shù)據(jù)的準確性，在大霧、大風、雨天等天氣情況下，受安全因素的影響，不宜飛行。

3結語

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