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无人机在农业中的应用及展望

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发表于 2018-2-23 22:17:54  | 显示全部楼层 | 阅读模式

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(湖南省农业信息与工程研究所,湖南  长沙  410125)摘 要:综述了近年来无人机在农业领域中的应用,主要是在农情监测、作物观测、农业生产、科研辅助、食品安全、电子商务等方面为农业提供服务;总结了无人机应用中续航能力及通讯范围受限、使用成本高以及安全性不高等问题,并对可能存在的潜在应用进行了展望,为促进无人机农业深层次应用提供参考。关键词:无人机;农业;应用;展望无人驾驶飞机简称“无人机”,英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器[1]。近年来无人机发展势头迅猛,伴随着技术的突破和成熟,加之无人机工作适用性好,操作灵活,方便快捷等优势,使无人机在诸多农业领域得到了应用,并逐渐作为现代农业工程中的一种新型设备,在现代农业工程中已经有了广泛的应用,进一步促进了农业的信息化和精准化的发展。农用无人机的主体是无人机,其本质上是一种平台,通过在平台上配置不同的应用模块实现相应的农用目的。例如,配置了农药喷洒模块的无人机就是通常所说的“植保无人机”,配置了成像设备的无人机就是“遥感观测无人机”等。1987年Yamaha公司受日本农业部委托,生产出世界上第一架农用无人机“R50”,目前日本拥有注册农用无人机2 346架,成为农用无人机喷药第一大国[2]。我国自2008年开始有了单旋翼无人机低空低量施药技术的研究。2013年1月,农用航空产业技术创新联盟在海南三亚成立,搭建包含高校、科研单位及企业在内的技术交流平台,主要从事相关技术与产品的研究,以推动农用无人机的深入应用。当前农用无人机的研究还处于初级阶段。1 无人机在农业中的应用领域1.1 监测与观测通过在无人机上配置高清数码相机、高清摄像头、多光谱仪、高光谱仪、热像仪、各种传感器等专业成像设备,获取低空高分辨率遥感数据,并对数据进行分析处理,可应用于农作物生长及健康状况评估、农作物产量预测、自然灾害评估、农作物病虫草害发现与预警、农作物生长环境监测、土地资源测量、畜禽管理、畜禽疫病发现等方面。在国外,2002 年美国宇航局的运用无人机搭载高分辨率彩色多光谱成像仪对Kauai咖啡公司的种植区进行拍摄,将拍摄到的图像实时传输到计算机,进行加强和分析,以监督杂草爆发、暴露灌溉及施肥异常等情况;西班牙研究者使用无人飞行器搭载光谱设备,检测在400-800nm 光谱区内叶片的胡萝卜素含量;2013 年,José Manuel Pena mail 使用无人机携带近红外多光谱相机对玉米田的杂草覆盖率进行分析,生成了一个杂草的网络结构,对杂草覆盖的估计图像分析取得了令人满意的结果;法国学者Amélie Quiquerez使用无人飞行器监测农田土壤表面特征对环境侵蚀的影响,为土壤模式和栽培山坡水土流失分析的描述提供了新的见解[3]。在我国,李冰等人运用无人机搭载多光谱相机,以冬小麦为研究对象,实现了对冬小麦覆盖度变化的监测[4];高辉等人运用无人机和成像光谱仪开展了基于无人机的低空农作物成像光谱遥感平台的研制和应用示范,建立了基于低空高光谱遥感信息的应用模型,得到农作物不同生育期的成像光谱仪遥感反演模型和相应灾害遥感反演模型[5]。青海省地矿测绘院李玉梅开展了“无人机航空摄影在农村土地承包确权工作中的应用”工作,目的在于利用无人机的“监测与观测”类应用解决“承包地块面积不准、四至不清、空间位置不明确、登记簿不健全等问题”[6]。内蒙古河套区管理总局和西北农林科技大学合作,使用固定翼无人机和多旋翼无人机搭载实验设备,分别获取两个试验区的土壤水分和作物水含量的信息,拓宽了灌区自动化检测领域和方向[7]。1.2 农业生产作业通过在无人机上配置高精度定位器、机械臂等作业装置,无人机就成为了三维可移动机器人,可完成各种农作任务,当前和可预测的应用包括:田间播种、植保喷药、田间施肥、田间授粉、水面投料、设施巡检等。20 世纪90年代起,日本在大田作物、果树和蔬菜的病虫害防治上开始应用无人直升机,近年来,无人机植保作业因其单位面积施药液量小、作业效率高和农药飘移少等优点在日本发展迅猛。据统计,日本应用无人直升机进行病虫害防治的水稻种植总面积占有45%[8];美国65%的化学农药采用飞机作业完成喷洒,其中水稻施药作业100%采用航空作业方式。在我国,无人机在农业中的应用大部分也集中在“植保”方面,安徽、河南、河北、山东、江西、湖南、新疆等很多省份都陆续开展了植保无人机的应用与推广。自2008年起,浙江大学、农业部南京农业机械化研究所、华南农业大学等单位为代表开展了GPS自动导航、低空施药等技术的研究,实现了在操作平台上精确规划航迹进行精准喷药作业。湖南省是第一架半步低空飞防作业的省份,也是享受农机补贴的第一个省份,巨大的政策利好带动湖南农用无人机领域应用研究迅速发展。湖南永兴县运用无人机对冰糖橙种植区进行木虱防治任务,有效提高了冰糖橙对黄龙病的预防能力;荀栋等在湖南地区利用TH80-1型植保无人机进行了低空低容量喷雾和人工电动喷雾器大容量喷雾两种不同施药方式田间效果进行了试验,实验表明该方式对水稻中后期主要病虫害稻飞虱、稻纵卷叶螟和枯纹病的防治效果显著,效率远高于传统喷药[9]。另外,山东省运用无人机对蝗虫进行防治,有效遏制了蝗虫在小麦、玉米的蔓延。国内外实践表明,将无人机用于植保作业,能极大提高作业效率,且不会对土壤进行重复碾压,不伤作物,能提高农药有效利用率,在一定程度上减少劳动力。在无人机播种方面,美国俄勒冈州无人机创业公司DroneSeed开发出一种高速播种无人机,可运用压缩空气把种子射入土壤中,此设备已应用与美国西北部森林再造,大大提高了造林工作效率。1.3 其他领域无人机在科研辅助、农产品质量安全、农业电子商务等领域也存在着潜在应用空间。在科研辅助方面,可运用无人机可对科研目标整体情况以及单个科研目标进行观测和观察,有效提高科研工作者工作效率。Kohei Arai等利用无人机搭载近红外相机对茶叶氮含量进行监测,阐明了红外反射率与总氮含量之间的关系,提出了茶叶氮含量与近红外反射的评价方法[10]。Bending等基于无人机搭载数码相机平台获取大麦株高进行多次研究,建立大麦株高与生物量的估算模型[11]。杨贵军等研发了一套农业多载荷无人机遥感辅助小麦育种信息获取系统,利用多旋翼无人机搭载高清数码相机、多光谱仪及热像仪等多载荷传感器,提出了无地面控制点条件下的无人机遥感数据集合精校正模型,实现多载荷遥感数据几何校正[12]。杨琦等以广西糖料蔗为研究对象,采用无人机搭载RGB高清数码相机构成低空遥感平台,提取株高并运用糖料蔗重要生育期估算其LAI,得到了较好的精度[13]。在农产品质量安全方面,当前应用主要着手源头,针对农作物生长阶段存在的植保问题,利用无人机做到精准定位、精准施肥及用药。在农产品电子商务领域,目前无人机的应用主要在农产品智慧物流中。Google、UPS 等公司从 2012年就开始测试无人机送货,2013 年底,亚马逊公布了一款叫 Prime Air 的 8 翼无人机,能够运输一件五磅重的快递,并于2016年完成了第一次试投,这在电商快递领域具有里程碑式意义。在国内,京东在西安建设全球物流供应链总部和全球无人机系统生产基地项目,并与陕西省政府开展基于包含智慧物流体系、传统物流体系升级、农村电商等6方面的全面合作,实现优鲜农产品的及时运送。2 无人机在农业应用中存在的不足2.1 续航能力及通讯范围受限常用农用无人机受机身重量及搭载辅助器件的影响,一般续航时间为20~60 min,通讯距离根据搭载的通信模块不同,其通讯范围在0.5~15 km之间不等。大疆M200无人机最大载重2 kg,通讯控制范围半径7 km,最长飞行时间只有38 min,严重暴露了载重下无人机续航能力低下的不足。在低负载下,例如只搭载图像采集设备的农用无人机,最大续航也基本不超过60 min。由于在农业中无人机都是进行大范围的作业,承重能力太低、续航时间太短、通信范围过窄会导致实用性的降低。2.2 使用成本高无人机按照平台构型分类,可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机和扑翼无人机。用于农业生产方面的无人机一般采用固定翼和旋翼2种,其价格根据其功能的不同,售价在5万~40万之间不等,推广价格优势不明显[14]。且每台无人机需要配备一个专业飞控手,据统计,农业植保无人机专业飞控手人工费约12元/667m2,每年工作时间约0.5 a,年计人工费约30万~40万元不等,相对传统农机而言,在农业生产环节使用无人机极大的增加了人工成本。加之我国农业集约化、规模化水平不高,作物生产较为分散。各方面因素的影响,使农用无人机的应用推广受到极大阻碍。2.3 安全性不足安全性不足主要体现为:飞行过程受环境天气影响大、飞行安全性不高等问题。北京天力发公司的Wingtra固定翼无人机拥有垂直起降的能力,其抗风能力达到5~6级,能承受一定程度的恶劣天气,耐恶劣环境能力在农用无人机领域处在前列,但降落时易因风力影响导致降落地点距离预期偏离较大。恶劣的作业环境会极大影响农用无人机的飞行作业效果,另外,地理环境也是需要考虑的问题,如:作业范围内应无过高建筑、高压电塔、电杆等飞行障碍物,需要有合适无人机的起降点等,诸多限制因素导致了农用无人机应用的受限。另外,国内市场上的农用无人机在关键技术、可靠性、操作便利性等方面都与行业领先水平存在一定差距。3 无人机在农业的应用展望3.1 硬件研究飞行器设计方面,设计适合农业各领域应用的不同无人机型号外观,减轻不必要承重,最大程度提升工作效率;提升飞行器抗恶劣天气影响的能力,提升其安全性。现阶段农用无人机大多采用电池供电,较燃油驱动无人机而言,降低了成本及机身尺寸,同时也提高了便携性及安全性。飞行导航系统方面,利用“GPS/北斗+Wi-Fi+基站”的定位方式,提高导航精度;优化飞行算法,提升航行规划精确性、智能性。续航能力方面,由于农业无人机要求搭载的设备越来越丰富,要求的飞行时间也越来越长,使用锂电池已渐渐无法满足各种应用环境的需求,现阶段,石墨烯、太阳能、燃料电池是人们研究无人机新能源的主要方向。研究“太阳能+燃料/电池”混合动力无人机,提升无人机的续航能力。3.2 应用研究在植保领域,未来将植保无人机与大型地面机械化植保装备相结合,形成空中和地面优势互补的立体植保模式[15]。在农产品质量安全领域,可运用无人机在短时间内获取大面积的农产品安全溯源信息,比如:无人机通过搭载传感设备,对水产养殖水质中重金属等含量进行大面积实时采集,实现水质环境可追溯。在农产品电子商务领域,可运用无人机采集和发布农产品实时生产过程信息,实现基于直播的远程看样定货及交易的新型农业电商模式,这对于大宗农产品B2B电子商务有着积极的推动作用。3.3 标准研究农业航空法规方面,结合当前民航法规体系的相关条款,针对农业航空出台针对性法规,规范农用无人机低空飞行安全程序,保障飞行安全。农用无人机行业标准方面,制定农用无人机制造的行业标准、各应用领域的管理及应用标准,保障作业效果、应用发展的需求及农民权益。4 结 语通过对无人机农业应用的综合分析我们不难看出无人机在农业行业应用中发挥着极大的作用。但同时,国内外对于无人机在农业中的应用集中在农业植保方面,对于其他农业深层次应用,特别是农业科研、农产品质量安全、农业电子商务等领域鲜有涉猎。可以预见,在未来,无人机农业应用势必会向农业深层次应用方向延伸,为现代智慧农业、精细农业提供了更为有利的技术支撑。参考文献:[1] 赵元棣,王兴隆,王涛波. 兴趣教学模式在“通用航空运行与保障”课程中的应用探讨[J]. 大学教育,2016,(5): 152-156.[2] 何 勇,张艳超. 农用无人机现状与发展趋势[J]. 现代农机,2014,(1):1-5.[3] 冯 江. 无人机技术在现代农业生产中的应用[J]. 农业技术与装备,2014,(5):26-28.[4] 李 冰,刘镕源,刘素红,等. 基于低空无人机遥感的冬小麦覆盖度变化监测[J]. 农业工程学报,2012,(13):160-165.[5] 高 辉,王秋平,赵新刚,等. 基于旋冀无人机的农业低空高光谱遥感技术[J]. 科技创新导报,2016,(2):170-171.[6] 李玉梅. 无人机航空摄影在农村土地承包确权工作中的应用[J]. 价值工程,2015,(6):233-234.[7] 荀 栋,张 兢, 何可佳,等. TH80-1植保无人机施药对水稻主要病虫害的防治效果研究[J]. 湖南农业科学,2015,(8):39-42.[8] 张志云,李长贺. 无人机技术在现代农业中的应用[J]. 农业工程,2016, 6(4):23-25.[9] 娄尚易, 薛新宇, 顾 伟,等.  农用植保无人机的研究现状及趋势[J].农机化研究,2017,(12):1-6,31.[10] Arai K,Akaisi S, Miyazaki H, et al. Regressive Analysis on Leaf Nitrogen Content and Near Infrared Reflectance and Its Application for Agricultural Farm Monitoring with Helicopter Mounted Near Infrared Camera[J].  International Journal of Advanced Research in ArtificialIntelligence,2013,2(3).[11] Bendig J,Yu K,Aasen H,et al. Combining UAV-based plant height from crop surface models, visible,and near infrared vegetation indices for biomass monitoring in barley[J]. 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It also prospects the potential applications, and provides references for promoting the deep level application of UAV agriculture.Key words:UAV; agriculture; application; Prospect中图分类号:S252    文献标识码:A      文章编号:1006-060X(2017)11-0080-03DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.022收稿日期:2017-08-15基金项目:湖南省科技厅重点研发计划(2016NK2184);湖南省农业科学院科技创新团队建设(2016TD10)作者简介:周 超(1984-),男,湖南长沙市人,助理研究员,主要从事农业物联网技术及应用推广研究。(责任编辑:肖彦资)
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