研究无人机在智慧农业方面的应用

　　智慧农业论文第五篇：研究无人机在智慧农业方面的应用

　　摘要：智慧农业将数字农业与精准农业有机联系为一个整体，而无人机在智慧农业中起着不可忽视的作用。本文阐述了无人机在遥感监测、精准植保、棉花脱叶、种子撒播和赶花授粉等方面的应用情况。

　　关键词:无人机;智慧农业;应用;

　　Abstract：Smart agriculture organically connects digital agriculture and precision agriculture as a whole, and UAV plays an important role in smart agriculture. This paper described the application of UAV in remote sensing monitoring, precision plant protection, cotton defoliation, seed sowing and flower pollination.

　　农业航空起始于20世纪20年代，随着科技的快速发展，目前农业航空已经成为世界各国农业领域不可缺少的一部分。智慧农业是现代农业发展的目标，无人机具有作业效率高、单位面积药液用量小、无须专用跑道、机动性好等特点，且结合了信息、通信、人工智能、大数据和物联网等技术，为智慧农业的发展提供了空间和平台。无人机性能良好，其优越性是地面机械无法替代的。此外，无人机在农业的多个方面包括农业遥感监测、病虫害防治、种子撒播等都具有广泛应用。

　　1 农业无人机的应用

　　1.1 无人机在遥感监测方面的应用

　　无人机遥感即无人机和遥感技术的结合，可利用先进的无人机驾驶技术、遥感监测技术、传感器技术、GPS定位技术等，具有自动化、智能化、信息化等优点。无人机遥感在多个领域都扮演着重要角色，例如气象监测、资源调查与监测、测量方面和突发事件处理[1]。随着科技的不断进步，无人机遥感技术在精准农业方面快速发展。许多发达国家从20世纪就已经开始研究精准农业技术，国内发展比较晚，但随着遥感（RS）、全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）以及我国北斗卫星导航系统的不断完善及其定位技术的不断提高，无人机遥感技术有了很大的进展，为我国精准农业发展提供了技术支持[2]。

　　利用无人机遥感监测技术可以收集作物的多光谱图像，这些图像可以生成光谱反射带，通过计算机处理这些波段，可以得到归一化植被指数（NDVI）、叶面积指数（LAI）或光化学反射指数（PRI）等指标。其中，归一化植被指数（NDVI）数据与农业制图工具中的作物水分胁迫指数（CWSI）和冠层叶绿素含量指数（CCCI）等其他指标相结合，可以提供对作物健康有价值的建议，使人们了解肉眼不可见的作物变化和胁迫条件。兰玉彬等[3]通过无人机遥感技术获得柑橘果园的高光谱图像，经过一系列分析计算，通过图像分辨出感染黄龙病的植株与健康植株，正确率高达94.7%，大大提高了果园管理效率和政府防控病情的力度。另外，无人机遥感还可用于农作物病态监测和产量估算等过程。

　　1.2 无人机在精准植保（病虫草害防治）方面的应用

　　粮食安全制约着国家的发展水平，而病虫草害直接对农作物的产量和质量造成影响。我国是农业大国，病虫草鼠害造成的粮食损失高达1.2亿t，发生面积年均4.67亿公顷次以上[4]。目前，在全球范围内，病虫草害的主要防治手段依然是喷洒化学农药，但是我国农药使用技术和农药喷洒设备比较落后，农药利用率一直比较低。在此背景下，采用无人机进行精准施药对保障我国粮食安全具有重要作用[5]。

　　无人机作为新型植保机械，其搭载的全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）可以为实现精准施药提供技术保障，可在多种地理环境下进行植保作业。植保无人机在药剂喷施方面有很多优势。一是高效安全。植保无人机的飞行作业速度可达3～8 m/s，其农药喷洒效率高达13.33～26.67 hm2/d，是传统人工施药的60倍以上；另外，植保无人机可通过地面遥控或飞控系统进行操作，减少了农药与施药人员的接触，提高了施药作业的安全性。二是节水节药。利用植保无人机喷洒技术至少可以节约30%～50%的农药用量，节约90%的用水量，大大提高了农药的利用率。三是防治效果显着。植保无人机喷洒精准，农药利用率高，提高了对病虫害的防治效果。四是成本低。植保无人机整体尺寸小，重量轻，易于维护[6]。随着精准农业的发展，植保无人机在病虫草害防治方面的地位日益突出。目前，植保无人机面临的问题是缺少最佳施药方案和如何最大限度地提高喷雾精度和减少飘移。

　　1.3 无人机在棉花脱叶方面的应用

　　新疆是我国棉花的主要产区，其棉花种植面积和产量均达到全国的50%以上。近年来，随着植保机械的快速发展，新疆棉花的全程生产逐渐趋向机械化[7]。喷雾落叶剂是棉花机械化采收的重要组成部分，全面、均匀地喷施落叶剂可以改善棉花的落叶质量、降低棉花中的杂质含量。由于棉花冠层的叶片重叠，给传统的地面喷洒机喷洒作物带来不便，无人机快速高效的作业方式非常适合喷洒棉花脱叶剂。与传统打顶机械相比，使用植保无人机还不会留下辙印和损伤作物，可减少对土壤和作物的损害。

　　无人机不仅给棉花脱叶带来方便，其对脱叶剂的利用效率也大大提高。有研究表明，添加航空喷雾助剂可以显着提高脱叶雾滴的沉积量，喷施15 d后，落叶率达80.31%，吐絮率达90.61%。添加航空喷雾助剂可使棉花落叶率提高3.12%～34.62%，吐絮率提高6.67%～29.56%[8]。目前，对无人机应用棉花落叶剂的研究较少，如何提高棉花中低层落叶剂雾滴的覆盖率，使雾滴充分均匀地分散在棉花冠层，对于提高落叶效果及棉花品质具有重要意义。

　　1.4 无人机在种子撒播方面的应用

　　农业物料常见的撒播对象是小粒径种子、肥料颗粒等。与育苗相比，撒播节省了移栽成本，提高了作业效率，是一种比较常见的直播方式。无人机进行撒播，一般是在无人机上挂载撒播装置，物料撒播作业过程主要分为排种和抛撒，其中排种大部分由排种器完成，而抛撒的技术有多种，主要有离心式抛撒、气力式抛撒、均匀杆式抛撒和摆管式抛撒。

　　目前，比较常见的无人机撒播装置为离心圆盘式，该技术是利用离心力将物料从高速旋转的离心盘上甩出，抛撒的均匀度主要与圆盘的转速和叶片有关，抛撒的幅度比较大且为圆弧形，但播撒的均匀性不稳定。宋灿灿等[9]设计了一种气力式无人机撒播装置，采用播量可调的外槽轮排种，以风机产生的高速气流作为种子撒播的动力，其排量随无人机前进速度的变化而调节，提高了无人机撒播作业的均匀性。要实现无人机的精准撒播，需要综合考虑无人机作业状态和撒播装置的变量调节，以提高无人机撒播过程中的稳定性和均匀性[10]。无人机在种子撒播方面的应用推动着精准农业的发展，具有重要的研究意义，且目前空中撒播技术已经在世界范围内被广泛应用于水稻撒播。

　　1.5 无人机在赶花授粉方面的应用

　　在现代农业生产过程中，采用机械化及自动化赶花授粉可以有效地提高作业效率及作业质量。在部分瓜果蔬菜等作物的种植管理上，也可以使用无人机进行辅助授粉。与传统人工授粉相比，在一定条件下使用无人机进行授粉，可提高作物成功授粉的概率，改善人工授粉和自然授粉的不足[11]。在有些条件下，传统的杂交水稻制种相关技术已经无法满足杂交水稻的发展需求，目前无人机赶花授粉技术在杂交水稻制种方面的应用，已经在一些发达国家颇有成效，在国内一些试验点的应用效果也比较理想[12]。有学者研究小型无人机在旋翼风场下的水稻花粉分布规律，选择出了适合无人机授粉的飞行速度，为无人机水稻授粉提供了理论指导依据。

　　目前，无人机授粉时，针对不同花蕊花期的喷洒范围和喷洒速度还有待研究，需要考虑作物的高度、生长周期、花蕾期等综合因素影响。

　　2 展望

　　无人机是精准农业的重要组成部分，精准农业又是现代农业生产和现代信息科技的有机结合，精准农业的技术水平直接影响着智慧农业的发展速度和质量。因此，无人机在农业方面的应用对智慧农业的发展起着不可忽视的作用。通过无人机搭载的智能化传感器和视频监控设备对农作物信息进行采集，通过现有的物联网技术可以观测农作物的病虫害信息，也可以实时显示出农作物的生长状况和生长环境，提供对农业作业有用的信息。同时，在现代科技的推动下，无人机与互联网、物联网和大数据等现代技术密切结合，为智慧农业发展提供了不可缺失的平台和载体。未来无人机将给智慧农业带来新的变化。

　　参考文献

　　[1]金伟，葛宏立,杜华强,等.无人机遥感发展与应用概况[J]遥感信息, 2009,24(1);88-92.

　　[2]汪沛,罗锡文,周志艳,等基于微小型无人机的遥感信息获取关键技术综述[J].农业工程学报, 2014,30(18)-1-12.

　　[3]兰玉彬,朱梓豪,邓小玲， 等基于无人机高光谱遥感的柑橘黄龙病植株的监测与分类[J].农业工程学报, 2019,35(3):92-100.

　　[4]兰玉彬无人机的农业应用[J]紫光阁, 2017(1):86.

　　[5]兰玉彬,王国宾中国植保无人机的行业发展概况和发展前影[J.农业工程技术, 2018,38(9):17-27.

　　[6]蒋智超,刘朝宇浅谈植保无人机发展现状及趋势[J]新疆农机化, 2016(2):30-31.

　　[7]陈学庚,赵岩新疆兵团农业机械化现状与发展趋势[J]华东交通大学学报, 2015,32(2):1-7.

　　[8] XIAO Q G,XIN F,LOU Z X,et al.Effect of aviation spray adjuvants on defoliant droplet deposition and cotton defoliation efficacy sprayed by unmanned aerial vehicles[J].Agronomy,2019.9(5).217.

　　[9]宋灿灿,周志艳，姜锐,等.气力式无人机水稻撒播装置的设计与参数优化[J].农业工程学报，2018,34(6):80-88.

　　[10]宋灿灿，周志艳,罗锡文，等.农业物料撒播技术在无人直升机中应用的思考[J].农机化研究, 2018,40(9):1-9.

　　[11]吴锐.无人机在现代农业中的应用综述[J].农业工程技术, 2020,40(27):44-45.

　　[12]陈水法浅谈杂交水稻制种机械化发展[J]南方农机, 2018.49(9):53.