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        无人机技术在农业领域的应用

        1无人机发展史

        无人机的发展是经过了几个不同阶段的应用领域,每个阶段都会有相应代表性的不同功能类型的无人机产物,如战斗无人机、遥感无人机、植保无人机等。近些年无人机才渐渐被人们熟知,走进人们的生活视线中。无人机的产生最早是用于军事战争,是根据战争使用的战斗机改造来的[6],但是其价格较昂贵,成本较高。而后因为其便捷性、先进性、成本相对降低,又被推广应用于民用领域[9],如对不适合人员踏入的崎岖偏僻山岭的地质地貌监测,利用带遥感的无人机对某地区的信息情况进行获取采集等。近些年,随着无人机技术的迅速发展,应用不断扩大,现已初步应用于农业领域,并取得了显著的成就,有着光明的应用前景[5]。国外将无人机推向农业应用尝试还是较早的,首架用于农业方面的无人机是由日本一家公司于20世纪90年代发明的,用于对田间进行喷洒农药,预防虫害发生。这么多年来,逐步发展到对农田进行虫害以及自然灾害的防御[3]。因为在我国无人机技术还是远落后于国外发达国家水平,起步时间晚,应用时间短,起初对较大型农田、森林进行农药喷洒,使用的是有人机进行操控。然而使用有人机进行农药的喷洒,弊端是其喷洒范围是有限的,但无人机就能很好地解决这个问题,它不受地形大小的限制。无人机体积小,操作起来灵活、方便,可以随时起降,更适合于不方便进行地面操作的状况,在现代农业中深受重视[10]。但是由于我国农业历史悠久,农民思想传统保守,还停留于依赖人工种植的旧方式[11],没有推广使用先进的高科技技术,用于农业的无人机类型还比较单一[2]。基于遥感的无人机在某些方面要优于遥感卫星,如成本相对较低、操作方便、获取数据的时间短等。利用遥感可对农作物的信息进行获取,如作物的生长期、表型信息、覆盖率等,为农情监测提供依据[12];还可以将红外、图像分析等技术结合到无人机上进行更精确地监测与跟踪,获取更全面的地表、作物的信息,以便后续的数据分析处理[2]。我国还应大力研发更低成本、效率高的用于喷洒农药型的无人机,并在农业领域广泛推广,让农民早日摆脱农药的残害,保障人们的人身安全,尽早地解放农民的劳动力、生产力[13]。

        2无人机优缺点及对策

        无人机之所以能在很多领域被大力推广,是因为其有很大的优势。然而因为无人机技术还处于起步时期,必然会存在一些问题。深入了解了这些优缺点,才能更好更快地推动其发展[14]。

        2.1优势

        无人机体型相对较小,方便携带移动,运营成本相对较低,对作业环境条件要求不高,尤其适用于代替人去偏僻的山区以及交通不便的地区进行工作,风险低,在飞行过程中如果发生快没电的情况,它就会自动停止工作进行返航,保障了设备的运行安全[2]。无人机的飞行高度可以根据实际情况进行调控,一般是垂直升降,灵活性好,在农业中大多用于低空飞行,不受大气干扰[15],从航空角度快速地拍摄获取并存储视野广阔的农田的大量信息图像,图像的清晰度、分辨率较高,提供获取的数据信息准确,便于之后监测、跟踪等分析工作的实时进行,作业效率高。以无人机代替传统人工去获取分析数据,不仅节省人力,效率高,时间短,防止人工造成误差[16],而且还能避免人工以及其他机械进入田地对农作物的损害。使用无人机进行农业工作,如喷洒农药,可以节省人力物力,不用农民亲自背上沉重的药箱去田里喷药。人工喷洒可能会造成喷洒不均匀、浪费,影响农作物的产量,而且自身还得做好防护措施,避免农药对人体造成伤害。使用无人机去田里喷洒农药,会避免这些问题的发生,提高生产效率,既节约环保又安全,灌溉作业也同样有此优势[17]。在农业领域应用无人机,能够帮助农民提高生产质量与效率,促进农业现代化的进步。

        2.2存在问题及对策

        即使无人机拥有上述许多明显的优势,但还存在一些缺陷,发展不够成熟。从无人机本身来说,其飞行农作的时间还是比较短的,飞行范围也小,这样会大大降低效率,而且其承载力不强,负载小,这样会导致传感器的数量少;且飞行过程中机翼旋转会产生影响监测的气流,降低定位精度和获取数据的准确性。无人机的飞行也会受到天气的影响,阴雨天和风大的时候不易飞行,阴天光照强度不好,拍出的照片不够清晰,影响数据的观察分析,以及其他不明飞行物的干扰,严重的还可能会对无人机造成损坏[18]。同时,无人机的使用方面还受到许多的限制,如法律规定、操作人员的专业性等。由于无人机普及范围还不是很广,且存在一定的威胁性,所以有规定的限飞区域、高度[19],对无人机的操控,还需要有一定经验的专业人员来进行,否则会有危险[10]。针对上述存在的缺点,需要进一步进行研究解决。为了提高无人机遥感定位精度以及获取数据的精确度,可以通过开发搭载精度更高、性能更好,但重量较轻、集成度高的传感器的无人机。为了使无人机的飞行工作时间更长,可以将其体积设计的更小巧轻便,以及使用更清洁环保的能源供给[20]。为了避免无人机在飞行过程中遭受外来物的侵袭影响,需要对其增添实时避让技术,智能化地检测危险物,并及时采取措施避免无人机被损坏。政府也应大力支持无人机的推广使用,适当放开对无人机的约束政策,并鼓励相关人员学会操控无人机[8]。以上述这些对策来促进无人机在农业中的发展。

        3无人机应用现状

        无人机技术在不断发展成熟,在各领域的应用也越来越广泛常见,范围不断扩大,频率不断提高[21]。在农业领域大致分为获取农作物相关数据信息的农情监测和进行农事操作两方面来提高工作效率,促进农业精准化。

        3.1农情监测

        无人机能够结合遥感技术以进行大范围实时精准定位,快速准确地获取需要测量的数据信息,代替传统的人工观察,前沿地进行分析监测[9]。监测结果也比较准确,如作物长势、植被覆盖率、病虫害的发生、土壤温湿度等。对作物表型的研究,包括作物的叶面积、株高等,近年来成为农业专家的研究热点。通过观察以航拍方式获得的作物表型信息的图像,能从一定程度上反映出作物的生长状况,进而做出判断,准备后续的工作还能预估其产量,应用前景广阔[22]。对病虫害的监测,需要用到光谱传感器对获取的数据进行分析比对,因为作物遭受病虫害侵袭的位置,其光谱特征会发生多样变化,不同于健康作物表现的正常特征,通过早期发现这些问题,及时处理,能有效避免农作物产量的降低。利用光谱传感器的特征参数,可对水质、土壤是否被重金属污染以及被污染程度进行检测,还可对作物类别通过不同的特征进行精准分类。通过分析这些信息,管理者可提出针对性的对策,对不合适的措施进行适当调整,提升经济效益,极大地推动了农业的发展[23]。

        3.2农事操作

        运用无人机进行农事,最显著的例子就是对农田进行科学规划地喷洒农药,减少病虫害的发生。无人机可从高空对农田作物进行均匀合理地喷洒农药,不受地形的限制,稳定性好。无论酷热的夏日还是严寒的冬日,都不需要人亲自去田地里工作,因为无人机可以按照提前在控制系统设定好的航线进行飞行,飞到目的地后,执行喷洒农药的指令,操作方还可知晓喷洒工作的进展[1]。机械喷洒较人工喷洒有明显的优势,省时省力又省药[24]。通过遥控无人机喷药,操作人员可与农田位置相隔较远,不会与农药有直接接触,防止人员中毒伤害,安全可靠。并且在喷洒过程中也不会直接接触到作物,避免对其造成损害,影响生产效率[25]。使用无人机进行喷洒,均匀有效,可减少水源和药物的使用量,从而减少水的浪费和污染,以及残留农药对土壤的污染[25],利于水土保护[23],环保高效。运用无人机进行施肥有同样效果,还保障了农产品的质量[7],提升农业最终收益[26]。

        3.3其他方面

        除了上述提到的应用范围,无人机技术还可在地形测绘、农业物流、播种、农村规划、杂交育种等方面提供帮助,应用市场广阔,前途可观[7]。

        4结语

        新型的无人机技术因其成本较低、操作简便、生产效率高、准确性高等优势,代替传统机械以及人工劳作,适合目前农业现状,能广泛应用于农业生产,推动农业现代化的发展。虽然我国无人机技术还处在发展阶段,存在一些不足,但随着科技的不断创新、发展,这些问题一定也会被攻克,技术会越发成熟。为了大力推广无人机在农业领域的应用,我国政府需对此技术进行一定程度的宣传,并且要从根本上支持,如降低一下无人机成本价格,使得农民可以买得起、用得起,以及多研发一些农业专用型无人机,加强应用能力。

        作者:郝雅洁 史维杰 赵明霞 吕致 胡欣宇 李富忠 单位:农业大学 山西云时代技术有限公司

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