農業監測無人機技術應用及優劣勢

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摘要：無人機作為具有高靈活性、低成本的新型農業監測工具，為我國向農業現代化、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，推動我國農業進一步向現代化農業轉變。本文簡要闡述了無人機技術在農業監測中的應用，并詳述了無人機用于農業監測的優缺點，以期促進無人機技術在精準農業中應用有新的突破。

關鍵詞：無人機技術；農業監測；優劣勢分析

我國作為農業大國，種植規模龐大，而大規模種植的生產和監測成本日益增加，為保證生產效率和社會需求的穩定增速，農業機械化和農業信息化趨勢已成為我國發展過程中的必經之路[1]。在互聯網技術和圖像信息處理技術飛速發展的時代，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點，在農業生產中得到了廣泛應用。同時，無人機在農業中還有許多潛在的應用價值，不僅提高了農業生產效率，同時能夠大幅度提升農業現代化水準，有利于推動農業現代化的發展。圖1為現代小型無人機在精準農業領域方面的應用。無人機在早期的社會發展中，主要在軍事戰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，尤其是在農業領域得到了廣泛的應用，大幅提升了農作物的生產監測效率，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機械化和信息化的發展。但是我國無人機技術與發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展空間。圖2為我國2015—2020年智慧農業潛在市場規模增長趨勢，預計到2020年，我國的智慧農業潛在市場規模將增長到268億元，年復合增長率達14.3%[3]。

1無人機技術在農業監測中的應用

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，無人機在農情監測中有巨大的應用空間。傳統農情監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、獲取數據的時間周期長、準確率較低等問題[4]，使得無人機在農情監測方面具有明顯優勢，不僅能夠快速、精確地完成高分辨率的圖像采集、分析，而且能夠實現大范圍覆蓋，同時完成多任務監測，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測需求的重要載體之一，需要在農情監測中得到進一步深入功能的開發和應用。目前，無人機在農情監測中主要應用于農作物的病蟲災害、生長趨勢及土壤監測等方面[4]。

1.1病蟲災害監測

農作物病蟲災害監測作為農情信息獲取的重要組成部分，監測質量極大程度上取決于監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，可以實現對大面積農作物的航拍作業，通過圖像采集獲取土地土壤信息及農作物環境空氣信息。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下反射不同波長電磁波的原理，進而實時監測農作物的狀態。Vogelmann等[5]早在1988年就將無人機技術應用于森林病蟲害監測中，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現，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測，通過利用TM影像波段信息，可以對其進行實時監測[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，了解作物生長環境是種植者的一項必要任務[10]。無人機對于作物的生長環境及土壤監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境進行動態捕捉，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、生成相關的數學模型用于作物生長狀況的監測[12]。植物的NDVI值常被應用于植物生長狀況監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，實現了農田的精準灌溉。

2無人機用于農業監測的優勢與劣勢

2.1優勢

無人機移動速度快，對于環境的適應性較強，可以很好地代替人工進行特殊環境下的生產監測作業，減少了監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監測中所攜帶傳感器的類型及其優缺點[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，能夠進行快速的數據信息捕捉。此外，無人機較傳統的大型農用監測機可大幅節省成本。

2.2劣勢

雖然無人機較人為監測具有監測精度高、范圍廣等優勢，例如大疆無人機“御”Mavic2專業版，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測的費用。雖然無人機較傳統農用機運行的費用下降，但是需要培養專業飛控手[17]，也在一定程度上增加了監測的費用。在對目標種植區進行監測的過程中，無人機受客觀因素的影響會對監測數據產生一定的偏差，如受自然光光照影響較大，光線不好會影響采集數據的準確性，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

無人機較傳統的農業監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模影像信息數據、可適應現代的精準化農業發展。同時，無人機載重性能和續航能力等薄弱之處也隨之體現出來。雖然無人機在監測中的應杜芳芳等：無人機技術在農業監測中的應用及優劣勢用存在一些明顯缺點，但是隨著技術發展越來越成熟，無人機在農業監測方面勢必發揮更大的作用，也會更加廣泛地應用到農業生產中，更好地促進農業生產的發展和改善。

作者：杜芳芳 何曉平 陳曉明 常娜娜 張文清 單位：蘭州資源環境職業技術學院