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農用無人機的應用現狀與展望

時間:2019-10-29   編輯:中國農藥網  瀏覽次數:

    農業生產需要對農田進行實時、全面的監測分析,利用遙感技術可以為農田提供可靠的信息支撐來指導農田管理,實現作物長勢的精準探測、開展田間精細化管理,合理使用農藥化肥來提高農產品的品質,打破傳統農業生產長期處于被動地位的狀態。現代農情遙感技術是運用各類主被動探測器,利用衛星、各類航空航天設備不與探測目標直接接觸來及時、全面的獲取地物信息進行監測分析。低空遙感技術可以運用多平臺搭載不同傳感器來獲取大規模農田的信息幫助農民及時掌握作物長勢、農業災害等信息,改變傳統農業生產長期處于的被動局面。

 
    我國農業生產面臨耕地資源少、人口激增和農產品供給安全等諸多問題,為解決眾多因素的困擾,改變傳統農業生產中農藥化肥過量使用的粗獷作業現象,需幫助農民及時掌握可靠的農田信息,全方位、多門類地了解田間作物的生長狀況,對于田間管理要做到按時、按需精準作業管理,在節約生產成本的同時可以更好地保護環境,真正地使傳統農業向現代化、信息化農業發展。低空無人機遙感技術不受傳統監測設備監測范圍小、分辨率低、視野窄等問題的困擾,又彌補了衛星遙感受天氣和云層影響大、重訪周期長造成的時間不連續等問題;將無人機遙感技術應用到農業生產中及時準確的精準探測農情信息,對農田管理操作做到定位、定量管理,不僅可以減少農藥化肥的使用量,在提高利用率的同時也可以解決我國耕地面積少、環境壓力大等問題。此外,無人機可加裝噴灑系統、播散系統等機載設備,替代傳統地面機械及人工作業對地面作物從空中開展農事活動,以提高工作效率,減少作業過程中農藥對人員造成的身體傷害及地面作業機械對作物的傷害,節約生產成本的同時可以提高產量。但目前把無人機應用到農業生產環節中指導田間管理操作還處于起步階段,有許多問題亟待進一步研究解決。本文從農用無人機的機載設備、農情遙感監測及農事操作等方面系統地分析和總結了當前無人機在農業領域的應用現狀,并為該領域的后期研究提出了相應的發展建議,期望為該領域的研究有所幫助。
 
    1 農用無人機概況
 
    無人機(Unmanned Aerial Vehicle,縮寫UAV)是靠無線電通訊并可實現自主飛行的無人駕駛航空器,它由飛行控制系統、動力系統、無線電控制系統、載荷系統等部分組成。不同的飛行平臺可以搭載不同的載荷完成各種指定任務。農業生產中的無人機按作用不同可分為農情信息遙感監測和農事操作兩大類型。
 
    1.1 無人機飛行平臺
 
    農業中應用的無人機飛行平臺按照不同構型主要可分為無人直升機、多旋翼無人機和固定翼無人機三大主要平臺,其他飛行平臺還包括撲翼無人機和無人飛船等,但在農業生產中應用較少。固定翼無人機是最為理想的低空遙感平臺,由于其飛行速度快、續航時間長可以對大面積農田巡航作業來探測農情;但載荷較小,在農業中固定翼無人機多用于搭載小型傳感器用于大面積的航拍測繪來進行作物長勢分析、作物產量估測、地物目標分類識別等。無人直升機有油動和電動多種類型,具有可原地垂直起降、定點懸停和載重較大等優點,較大的旋翼能產生單一的垂直向下的氣流,可以穿透高桿農作物,具有良好的施藥效果,在農業生產中主要用于植保噴灑,可用于噴灑粉劑和水劑,但操作復雜,價格相對較高;多旋翼(多軸)無人機在農業應用中最為廣泛,具有飛行可靠穩定、高度速度可控、起降靈活、植保作業過程中轉場方便、操縱簡單、價格較低較低等優點。多旋翼無人機可應用于土壤分析和農作物監測等農田信息獲取以及農藥噴施等農事操作領域。總而言之,選擇合適的無人機飛行平臺要綜合考慮價格、有效載荷、續航時間、任務特點等多種因素,使得不同設備與無人機飛行平臺合理搭配以達到高效的作業效果。
 
    1.2 機載對地觀測傳感器
 
    以我國傳統農業生產經驗看來,農田種植操作的環境極大地影響農作物的質量和產量,故如何更精確地獲取種植環境來了解農田信息成為目前我國農業向信息化、精準化農業發展的重點研究方向。目前我國對小范圍農田的信息采集主要還是采用設置監測站、人工檢測等方法,采集效率和精確度僅限于能夠滿足小范圍農田需求;但無法滿足大范圍農田環境監測工作的需求,無人機搭載不同對地觀測傳感器可以更好地適應大面積農田的監測及信息的有效獲取。根據不同農田環境監測需求,無人機可搭載數碼相機、多光譜相機、高光譜相機、激光雷達傳感器等進行高效、全地面的信息采集,幫助廣大農戶群眾了解農田信息,以此為依據更好的指導農業生產。根據監測波段范圍的差異,主要可分為400~760 nm的可見光波段數碼相機、400~1100 nm的可見近紅外波段多光譜相機、3.6~13.5 μm的熱紅外波段相機等。可見光數碼相機由于成本低、操作簡單被廣泛應用,航拍圖像能獲取作物中藍(450~520 nm)、綠(520~600 nm)、紅(630~690 nm) 3波段灰度或者彩色圖像,可以直觀獲得多種作物表型特征及反演多種參數,主要用于農作物分類、保險理賠等領域;多光譜相機價格適中,可獲取關于地物的藍、綠、紅、近紅外的多光譜信息、紋理信息和結構信息。可以提取用于農作物長勢、土壤水分脅迫、地物識別、精細分類、植被覆蓋度指數提取、葉面積指數提取、病蟲害監測、產量估產等領域的多種參數;高光譜相機成本較高,圖像光譜波段連續性強、計算量大,獲得更精細的作物冠層光譜信息有利于更準確地反演地物目標的生態生理參數,主要用于農作物長勢、土壤水分脅迫等領域的葉綠素含量、葉片含水量等理化參數反演;熱紅外相機可以獲取作物冠層溫度信息用于分析作物葉面光合作用和蒸散速率等受環境脅迫的影響。激光雷達傳感器成本較高,圖像計算量大,可以快速有效地獲取用于反演作物株高、生物量等的表面點云信息。總體而言,大范圍、高時效、客觀準確的農情遙感監測需要搭載不同類型的傳感器,快速無損地獲取農情信息需要綜合考慮傳感器的特點、用途和成本等各方面因素。
 
    1.3 機載農機設備
 
    無人機可搭載噴灑系統、播撒系統等替代人力來從事田間作業,可以有效解決人工作業在效率、質量和勞動強度上的不足以及作業的安全問題等;無人機可以搭載多種高信息化、智能化的對地遙感監測設備來獲得精準全面的農田信息,同時配合農事操作無人機共筑空天地一體化農田管理體系,在實現高產、高效、低成本的同時減少農藥和水的使用,減少對土壤和環境的污染。在無人機農藥噴灑和種子播散方面,劉澤鋒等設計了基于脈寬調制(Pulse Width Modulation,PWM)技術的無人機噴灑系統液泵的變量噴灑控制,減少了農藥的過量使用;珠海羽人農業航空有限公司生產的播種無人機在汕頭市完成了水稻的精量飛播,提升了水稻播種的機械化水平;張厚東等以無人機為載體在新疆地區撒播毛葉苕子,無人機飛播不受地形地貌的限制,效率極高、節省人力、大大減輕勞動強度。目前,國內的植保無人機在根據農田病蟲害的嚴重程度進行精確噴灑方面還有許多研究工作需要完成。無人機撒播固體肥料和飼料方面,存在顆粒隨氣流飄散撒播不均勻等問題。無人機飛播存在一定的局限性,前期準備工作比較長,散播均勻度受種子大小密度影響較大,目前實際應用較少。
 
    2 農用無人機的應用現狀
 
    2.1 無人機農情遙感在農業中的應用
 
    2.1.1 作物長勢監測
 
    作物長勢監測主要是監測和分析作物的生長狀況和趨勢,及時獲取田間作物的生長信息可以為農田管理操作提供相關參考。裴浩杰等利用無人機獲取的作物的高光譜圖像,從NDSI、RSI、SSI中篩選與作物長勢相關性好的光譜指數,通過建立的線性回歸模型可以很好的監測小麥生長狀況。王楚鋒等發現利用無人機搭載消費級相機獲取可見光波段影像計算的歸一化差指數(NDI)與地面實測歸一化差植被指數(NDVI)之間的具有很高的相關性,可用來準確地獲取作物長勢信息,用于遙感監測油菜苗期長勢。Bala等利用Terra Modis反射率數據來估算孟加拉國蒙希甘杰區的馬鈴薯產量,研究發現植被指數是早期估算馬鈴薯產量的有效工具。Brovkina等采用無人機遙感監測技術將基于NDVI和PDC光柵的分析成功應用于云杉和銀杉的分離,并用于鑒定死樹類別,證明了NDVI對云杉樹的定性分類的潛力,這種方法可適用于監測當地森林地區的云杉健康狀況。目前,多元線性回歸、最小二乘法等建模被廣泛用于目標作物的長勢監測及產量預估。通過無人機搭載不同傳感器獲取不同波段的光譜信息組合形成植被指數,建立特定類作物不同生長時期的長勢監測模型還需進一步研究。
 
    2.1.2 作物遙感估產
 
    作物遙感估產可以實現對地塊面積及產量的精確估測,對規模化農業經營管理具有重要意義。無人機搭載傳感器構成的遙感估產系統具有獲取信息速度快、成本低、靈活高效的特點,可以選取最優的作業時期獲取最優植被指數,建立有效的無人機遙感估產模型。李昂等利用無人機搭載數碼相機快速、無損地獲取水稻從抽穗期到成熟期的冠層影像信息,研究證明利用數字圖像運用K均值聚類算法能夠較為準確地對水稻產量進行估算。Gong等利用無人機搭載微型數碼相機結合光譜混合分析技術對油菜籽產量進行遠程估算,研究發現無人機遙感冠層光譜反射率計算植被指數(VI)估算油菜籽產量最為準確。Somard等利用無人機獲取的RGB圖像與地面信息相結合的技術,采用基于對象的圖像分析(OBIA)對泰國的甘蔗產量快速、可靠地估算。Zhao等利用無人機搭載Cuber UHD185成像光譜儀獲得穩定的大豆冠層高光譜數據,對山東省嘉祥縣的大豆產量進行精確估算。目前基于作物冠層影像數據估算作物產量的模型還需進一步驗證優化,為規模化農業種植經營、指導農業合理安排生產提供一種快捷高效的低空管理方案,加快諸如農業補貼、核查申報等政策的推進落地。
 
    2.1.3 作物氮素營養診斷
 
    氮素是作物整個生長周期中不可或缺的營養元素,對于改善作物的光合作用和提高作物生產力至關重要。作物氮素營養診斷在提高作物產量、品質和改善土壤肥力方面起著關鍵作用,可以為農技部門和農業生產管理者提供決策支持,實現農業可持續生產。無人機搭載近地傳感器獲取作物冠層光譜信息,建立氮素診斷模型并優化地理信息系統和專家決策系統支持下的精準變量施肥在國內外得到了廣泛應用。劉昌華等利用無人機搭載Tetracam Mini-MCA 6多光譜相機獲取的植被指數間接診斷作物的氮素營養。Nasi等利用無人機和基于飛機的光譜和攝影測量三維特征估算大麥和草的生物量和氮量,結果表明高光譜相機在氮含量估算中得到的結果較為精確。Zheng等基于無人機的多光譜圖像和地面高光譜數據相結合,通過結合選定的植被指數(VIs)和紋理信息來估算水稻植株氮素濃度(PNC)。Liu等利用基于無人機的高光譜數據對冬小麥葉片氮素含量進行定量建模,研究發現BP神經網絡建模結果通常優于多元線性回歸建模結果,可以精確估算拔節期,葉期和開花期的冬小麥葉片氮素含量。作物氮素營養診斷在農田精準施肥方面尤為重要,準確評估作物氮含量合理優化田間施肥不僅可以實現作物的高質優產而且可以降低過度施肥對環境造成的污染。但目前基于無人機數字圖像的作物營養診斷仍停留在作物診斷模型的建立,基于營養診斷生成的處方圖如何應用到農業生產中指導變量施肥還需進一步研究。
 
    2.1.4 作物病蟲害監測
 
    農作物病蟲災害是主要的自然災害之一,大范圍流行性、暴發性、毀滅性病蟲害每年造成大量的糧食損失,嚴重影響農產品的質量和產量。世界糧食產量每年因病害和蟲害損失的產量分別占糧食總產量的14%和10%以上。而在我國,病蟲害造成的損失占我國各類農業災害損失的10%~15%左右。農作物病蟲害從小范圍發生暴發到大范圍流行或毀滅與種植地區的氣候特點、作物品種、種植習慣及防治情況等密切相關。利用無人機低空遙感機動、實時、靈活的特征,可以對病蟲害發生的位置進行及時監測,做到早期發現,開展早期有效防治,對于壓制病蟲害的暴發減少糧食產量損失意義重大;同時可以對不同病蟲害的暴發方式及蔓延特點進行有效分析,建立不同農作物不同病蟲害評估模型和診斷模型,對于快速有效防治具有重要意義。Aylo等利用無人機和拉格朗日模型跟蹤馬鈴薯晚疫病菌在大氣中的分布,幫助預測疾病在鄰近馬鈴薯田之間傳播的風險,為整個區域決策支持系統提供有效幫助。Hunt等利用無人機搭載多光譜相機,研究發現基于特定目標的圖像分析可以準確估計的馬鈴薯甲蟲的蟲害程度。Stanton等利用小型固定翼系統搭載近紅外攝像機,通過試驗區域蚜蟲密度和NDVI之間的負相關性來評估高粱被蚜蟲入侵所造成的破壞程度。黃文江等對農田大面積的作物病蟲害探測提出了新的解決思路。總而言之,目前基于無人機遙感監測作物病蟲害的還需構建不同作物、不同蟲害等級的遙感反演模型,對蟲害的暴發位置和受損程度精確監測,準確及時防控,減少蟲害造成的損失。
 
    2.2 無人機農事操作在農業中的應用
 
    2.2.1 無人機在航空施藥方面的應用
 
    隨著近年來城鎮化建設進程的加快,大量農村勞動力涌向城市造成農村人口老齡化現象嚴重,人力成本攀升,加之新型規模化經營性農場的出現及大面積的病蟲害爆發對施藥效率和精確性提出新的要求,為農用無人飛機航空作業創造了良好條件。農用植保無人機技術優勢突出,具有以下優點:
 
    1)作業效率高。規模作業可達8~11 hm2/h(林果樹木8 hm2/h),其效率比地面機械高出3倍以上,比人工噴灑高出100倍,可以大幅度解放勞動力。
 
    2)不受地形限制。農用無人機飛行不受山地、丘陵等復雜地理因素限制,空中作業避免了對農作物的損傷。
 
    3)防治效果好。采用超低空作業和懸疑下沉氣流變量噴霧,藥液霧化程度好且沉積量和覆蓋密度高,高速旋轉產生垂直向下的氣流不僅可以減少霧滴漂移而且增強了藥液的穿透性,使作物正反葉面都能均勻受藥,并較長時間的沉積在作物葉面上,便于病蟲吸食以達到最優的殺蟲效果。
 
    4)植保成本低。據大量實踐應用測算,采用農用無人機噴灑農藥不僅節水省藥而且噴灑成本大大低于地面機械和人工噴灑。
 
    5)安全環保。無人機噴灑農藥能明顯減少農藥的施用量,減少農藥對環境的面污染以及對作業人員的身體傷害,符合國家化肥農藥減施增效的要求。
 
    6)是重大病蟲害的應急解決方案。在遭遇重大病蟲害的年份,農用無人機可快速集結組建規模化的服務網絡進行緊急救援,有效抑制災情的蔓延。
 
    我國航空施藥起步相對較晚,其最早可追溯到20世紀50年代初,從最初的載人固定翼飛機和載人直升機發展到無人直升機和多旋翼無人機。目前我國農用無人機飛控技術甚至處于世界領先地位,無人機裝備總量和作業面積都處于全球第一,無人植保機市場保有量已經超過30 000架,作業面積從2017年的1.06億畝次增長到2018年3億多畝次,標志著我國航空植保發展進入全新時代。
 
    日本在20世紀80年代開始噴藥無人機的研制工作,是最先將無人直升機用于農業生產的國家。1987年日本將最先研制的無人直升機R50用于農藥噴灑,經過近30年的發展植保無人機經歷了從無到有,從有人直升機到無人直升機的快速發展,YAMAHA公司研發的無人植保直升機成功解決了日本受地形和地塊面積限制不適合載人飛機作業的難題,為日本農業航空的發展做出了重要貢獻。在2003年無人直升機對水稻的防治面積首次超過有人直升機且此后作業率一直高于有人直升機。1995—2015年,日本的植保無人機保有量從307架增加到2668架。截至2010年底,日本使用農用無人機開展農田防治面積達到96.3萬hm2,占航空作業總面積的38%,登記在冊的無人飛手14 163人。美國農業航空開始于1906年,發展到現在已經有100多年的歷史,具有完善的航空組織體系和質保模式。美國是農業航空應用最廣泛的國家,現有農業航空公司2000多家,在用農用飛機約4000架,注冊持證的駕駛員3000多名,每年防治耕地面積近3400萬hm2,占美國年防治面積40%以上。美國的森林飛防防治和水稻飛防防治完全使用航空飛防作業。
 
    2.2.2 無人機在田間管理方面的應用
 
    在田間管理方面,無人機除了可用于農藥噴灑之外還可以用于作物播種、授粉、施肥等,從空中代替人工作業減少了作業過程中農用機械對作物的損害及對土壤的反復碾壓,作業效率和質量極高且減輕地面操作人員的勞動強度,有利于實現大面積、規模化生產。孔德生等在玉米授粉期間,采用植保無人機空中飛行輔助授粉,研究發現2次輔助授粉玉米畝增產97.10 kg,禿頂率減少7.5%,1次輔助授粉玉米畝增產58.67 kg,禿頂率減少6.13%。李繼宇等通過對水稻花粉分布規律受旋翼風場的影響進行研究,為無人機的空中授粉作業提供了相關參考。在無人機播種方面,我國已將無人機飛播技術應用于水稻播種,2019年春耕期間在廣東省陽江市雅韶鎮八一村為廣大農戶進行無人機水稻播種,成功的解決了人工插秧工作效率低、成本高的難題。高志政等針對無人機播撒技術在農業中的應用,對撒播技術特點和應用方向及當前存在的不足之處進行了探討,無人機撒播技術在農業生產管理中具有可行性和優越性,是加速實現我國農業生產管理現代化進程的一個重要環節。
 
    3 展望
 
    總而言之,無人機遙感監測和農事操作兩類無人機應用到農業生產中對于提高我國農業生產的效率和質量,推動我國智慧農業、精準農業的發展意義重大。無人機搭載傳感器對地遙感監測及時獲取準確的農田信息,對作物長勢、土壤信息、農業災害等進行有效動態監測,與衛星遙感監測及地面傳感器監測互補共筑空天地一體監測系統,生成準確的農田“診斷圖”并結合農田實際情況應用到指導田間生產中,指導田間管理做到按時按需對作物進行精準化施肥、施藥及灌溉管理。
 
    目前無人機在遙感監測和農事操作等農業應用中還存在以下問題:在遙感監測方面,需創建不同作物的反演模型及信息庫;無人機監測數據與地面監測及農用作業機械數據耦合;在農事操作方面,無人機關鍵部件的使用壽命還不能完全滿足應用需求;缺乏配合無人機使用的航空植保劑及助劑;缺乏有關無人機行業應用的標準體系的建設。為推動農用無人機更好的在農業生產中應用,以下幾個方面的研究將是重點。
 
    3.1 無人機技術與精準農業結合發展
 
    精準農業是在3S(GPS、GIS和RS)等高新技術與現代農業相結合對農業生產過程中的農資和農事操作進行定時、定位、定量的科學管理,以最少的投入獲得優質高產的可持續發展的農業。無人機以其靈活、高效的特點可以為農業生產的各個環節提供準確的信息支持,為農田生產管理者施肥、施藥和灌溉等提供可靠依據。無人機搭載傳感器可對農田土壤水分含量、植被指數、作物養分脅迫等進行監測反演得到不同作物的信息庫模型,把農田分成許多個小的操作單元來進行精準化管理,根據農田中不同位置作物的不同生長情況變量施肥、施藥以及分區灌溉等以達到生產要素的有效配置,無人機可以根據農田不同位置遭受不同蟲害程度的作物進行噴頭精準變量的控制智能化施藥,無人機技術與精準農業結合發展可以極大地推動精準農業的現代化進程。
 
    3.2 無人機與航空植保劑配合使用
 
    眾所周知無人機噴灑農藥過程中藥滴受旋翼風場、迎面風力和環境風力共同作用飄移現象比較嚴重,除噴頭與旋翼的安裝位置有關外還與所施藥劑的物理特性有關。目前植保無人機配套專用制劑相對缺乏或技術不夠成熟,只能靠提高常規農藥的濃度來進行植保作業。目前在中國農藥信息網上尚無配合植保無人機使用的專用制劑或助劑注冊登記,許多農藥生產商和無人機龍頭企業也開始投入到無人機飛防制劑和助劑的研發中,通過改變霧滴直徑大小及利用蒸發抑制劑和沉降劑來減少霧滴在下降過程中的蒸發程度。在農業部制定的《到2020年農藥使用量零增長行動方案》中規定要減少農藥的使用量,國內唯一擁有納米農藥知識產權的南京善思生物科技有限公司研制的納米農藥在多地用無人機噴灑進行病蟲害防治實驗并取得了令人滿意的防治成果,無人機納米制劑一旦投入大面積推廣使用,可以減少我國現有農藥使用量的30%以上,充分發揮其高效、安全、經濟、環境友好的特點,將極大地促進我國農藥的減施增效。
 
    3.3 完善相關體系標準
 
    由于我國無人機市場門檻較低,監管法律法規欠缺且相關行業標準不夠健全,國家對于無人機農機購置補貼只在某些地區推行,未能在全國范圍內得到廣泛普及推廣應用。為約束農用無人機的安全飛行并保證行業健康有序發展,有關部門應突破地區限制在國家層面加強無人機質量技術要求、操作人員駕駛培訓、作業規范等方面的行業標準體系建設,加速推進無人機農機購置補貼政策落地及在行業中的應用發展。無人機植保施藥標準、防治效果評估標準與作業環境風險評估標準等方面的標準體系建設也將大大規范植保無人機的行業應用。
 
    4 結束語
 
    農用無人機可以及時準確地獲取農情信息并從空中輔助農事操作,是精準農業領域應用的重要手段,具有其他傳統監測方式和傳統地面作業機械無法比擬的優勢。隨著我國農業供給側結構性改革的不斷推進,各地土地流轉的實施及規模化經營性農場的出現農用無人機為生產管理者提供了新的發展途徑,先診斷后管理,對田間操作管理定時、定位、定量的精準化管理將極大地推動農業朝著智能化、現代化方向發展。
 
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