農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)劣勢(shì)

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摘要：無(wú)人機(jī)作為具有高靈活性、低成本的新型農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)工具，為我國(guó)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(wú)人機(jī)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)情、預(yù)估產(chǎn)量、防治病蟲(chóng)害及噴灑農(nóng)藥等，極大地解放了勞動(dòng)力，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)進(jìn)一步向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。本文簡(jiǎn)要闡述了無(wú)人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，并詳述了無(wú)人機(jī)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，以期促進(jìn)無(wú)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(wú)人機(jī)技術(shù)；農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)；優(yōu)劣勢(shì)分析

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，種植規(guī)模龐大，而大規(guī)模種植的生產(chǎn)和監(jiān)測(cè)成本日益增加，為保證生產(chǎn)效率和社會(huì)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(shì)已成為我國(guó)發(fā)展過(guò)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(dòng)化機(jī)械技術(shù)日益成熟，無(wú)人機(jī)作為一種新型的無(wú)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(lái)，無(wú)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(wú)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(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。圖1為現(xiàn)代小型無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)在早期的社會(huì)發(fā)展中，主要在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域有較大的利用空間[2]。無(wú)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(wú)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(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中進(jìn)一步應(yīng)用。當(dāng)前，隨著技術(shù)相對(duì)成熟和成本日趨下降，無(wú)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(cè)效率，對(duì)病蟲(chóng)害防治起到了至關(guān)重要的作用，極大地推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和信息化的發(fā)展。但是我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在非常明顯的差距，因而無(wú)人機(jī)技術(shù)在我國(guó)還有巨大的發(fā)展空間。圖2為我國(guó)2015—2020年智慧農(nóng)業(yè)潛在市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)的智慧農(nóng)業(yè)潛在市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)到268億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)14.3%[3]。

1無(wú)人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

近年來(lái)，由于農(nóng)作物種植面積巨大、分布范圍廣、人工勞動(dòng)費(fèi)用上升等，無(wú)人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測(cè)中有巨大的應(yīng)用空間。傳統(tǒng)農(nóng)情監(jiān)測(cè)工程存在實(shí)測(cè)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(zhǎng)、準(zhǔn)確率較低等問(wèn)題[4]，使得無(wú)人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，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(cè)，降低成本，具有很強(qiáng)的靈活性。無(wú)人機(jī)作為滿足日益增長(zhǎng)的農(nóng)情監(jiān)測(cè)需求的重要載體之一，需要在農(nóng)情監(jiān)測(cè)中得到進(jìn)一步深入功能的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。目前，無(wú)人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測(cè)中主要應(yīng)用于農(nóng)作物的病蟲(chóng)災(zāi)害、生長(zhǎng)趨勢(shì)及土壤監(jiān)測(cè)等方面[4]。

1.1病蟲(chóng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

農(nóng)作物病蟲(chóng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)作為農(nóng)情信息獲取的重要組成部分，監(jiān)測(cè)質(zhì)量極大程度上取決于監(jiān)測(cè)設(shè)備的質(zhì)量與信息處理方式。無(wú)人機(jī)作為新型遙感和測(cè)繪平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積農(nóng)作物的航拍作業(yè)，通過(guò)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(duì)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(guò)及時(shí)采集、快速調(diào)整，幫助種植者全面掌握作物的病蟲(chóng)災(zāi)害情況并開(kāi)展防御。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)就是通過(guò)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(zhǎng)電磁波的原理，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的狀態(tài)。Vogelmann等[5]早在1988年就將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)中，并取得了很好的效果，對(duì)于界定森林受病蟲(chóng)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(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，通過(guò)分析受不同災(zāi)害類型的森林樹(shù)木反射光譜特征發(fā)現(xiàn)，不同受害類型在特征波長(zhǎng)上反射率存在明顯的差異。對(duì)于小麥條繡病的監(jiān)測(cè)，通過(guò)利用TM影像波段信息，可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8]。通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍影像、識(shí)別分析，構(gòu)建HSV色彩空間模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病蟲(chóng)害的識(shí)別及等級(jí)劃分[9]。

1.2作物生長(zhǎng)及土壤監(jiān)測(cè)

作物生長(zhǎng)是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的生物過(guò)程，了解作物生長(zhǎng)環(huán)境是種植者的一項(xiàng)必要任務(wù)[10]。無(wú)人機(jī)對(duì)于作物的生長(zhǎng)環(huán)境及土壤監(jiān)測(cè)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(cè)、種植面積覆蓋度的變化范圍和作物生長(zhǎng)的基本狀況等一系列監(jiān)測(cè)指標(biāo)。無(wú)人機(jī)通過(guò)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(guò)圖像分析技術(shù)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況及周圍的環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，使種植者能夠及時(shí)獲取無(wú)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(duì)作物的具體情況作出調(diào)整，利用更小的時(shí)間價(jià)值來(lái)獲取更高的組合收益。目前，通過(guò)利用無(wú)人機(jī)拍攝獲取高分辨率的影像，可以分析監(jiān)測(cè)作物施肥后的生長(zhǎng)狀況[11]。與此同時(shí)，還可以通過(guò)建立、生成相關(guān)的數(shù)學(xué)模型用于作物生長(zhǎng)狀況的監(jiān)測(cè)[12]。植物的NDVI值常被應(yīng)用于植物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)及植被覆蓋度等方面，通過(guò)無(wú)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(cè)作物的生長(zhǎng)狀況及覆蓋度等信息[13]。張智韜等[14]利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，監(jiān)測(cè)植被覆蓋下的土壤含鹽量。楊珺博等[15]利用低空無(wú)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(wú)人機(jī)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

2.1優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)移動(dòng)速度快，對(duì)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(cè)作業(yè)，減少了監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)作物的損耗和人工費(fèi)用。無(wú)人機(jī)體型較小，方便操作人員攜帶和移動(dòng)，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(cè)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(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中所攜帶傳感器的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)[16]。近年來(lái)，4K攝像頭已經(jīng)廣泛應(yīng)用在無(wú)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(wú)人機(jī)較傳統(tǒng)的大型農(nóng)用監(jiān)測(cè)機(jī)可大幅節(jié)省成本。

2.2劣勢(shì)

雖然無(wú)人機(jī)較人為監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)精度高、范圍廣等優(yōu)勢(shì)，例如大疆無(wú)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(wú)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(shì)是無(wú)人機(jī)在航拍過(guò)程中最大的“痛點(diǎn)”。同時(shí)，由于無(wú)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(cè)的費(fèi)用。雖然無(wú)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(cè)的費(fèi)用。在對(duì)目標(biāo)種植區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)受客觀因素的影響會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)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(huì)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(yǔ)

無(wú)人機(jī)較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)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(wú)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(lái)。雖然無(wú)人機(jī)在監(jiān)測(cè)中的應(yīng)杜芳芳等：無(wú)人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及優(yōu)劣勢(shì)用存在一些明顯缺點(diǎn)，但是隨著技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)方面勢(shì)必發(fā)揮更大的作用，也會(huì)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