劉順華 ，王延申

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，如土壤濕度分析、農(nóng)藥噴灑、農(nóng)業(yè)植保等。為了提升農(nóng)業(yè)機(jī)械效率，提高農(nóng)業(yè)作業(yè)水平，就需要在農(nóng)業(yè)作業(yè)中，利用無人機(jī)技術(shù)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長情況，監(jiān)測(cè)土壤濕度和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，科學(xué)施肥施藥，實(shí)時(shí)采集作物生長數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，便于農(nóng)民掌握農(nóng)作物的實(shí)際情況，采取有針對(duì)性的措施，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的精準(zhǔn)度，推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 無人機(jī)技術(shù)概述

無人機(jī)是由無線技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的一種非駕駛飛行器，具有電腦程序操控功能。通常，無人機(jī)沒有座艙，但是配備了自動(dòng)駕駛、程序控制等設(shè)備。在地面上，操作人員通過無線電、雷達(dá)等設(shè)備，實(shí)時(shí)控制、定位、跟蹤和遙測(cè)無人機(jī)[1]。無人機(jī)的起飛模式有很多種，可以像正常的飛機(jī)那樣滑翔，也可以通過火箭和助推裝置捆綁升空，還可以通過母艦將其送上天空進(jìn)行拋擲飛行，具有高靈活性、高效率性、高安全性、數(shù)據(jù)可靠性等特點(diǎn)。如今，在農(nóng)業(yè)機(jī)械、軍事偵察等方面，無人機(jī)已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。

2 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著科技的不斷進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)，可以推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展。目前，在我國北方地區(qū)，已廣泛地使用了無人機(jī)進(jìn)行作物噴灑作業(yè)，工作效率是傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)備的2 倍，而且具有更好的滲透性和噴灑性[2]。例如，內(nèi)蒙古河套農(nóng)業(yè)局采用了高分辨率的固定翼型無人機(jī)、多旋翼式無人偵察機(jī)等設(shè)備對(duì)5 個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的農(nóng)田進(jìn)行了空中拍攝，極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。國家環(huán)保部門使用了無人機(jī)的遙感技術(shù)對(duì)河道進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和空中拍攝，傳輸回來的圖像分辨率高達(dá)0.1 m。經(jīng)過比較和分析，確定了5 個(gè)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域，并據(jù)此制定了相應(yīng)的防治措施，極大地提高了科學(xué)管理水平[3]。因此，將遙感技術(shù)、紅外分析、高分辨率影像分析技術(shù)相融合，可以有效監(jiān)控大片農(nóng)田區(qū)域，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)域，提高了對(duì)農(nóng)田數(shù)據(jù)的綜合分析水平。

3 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化中的優(yōu)越性

3.1 提高信息的精確度

利用無人機(jī)開展農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化工作，可有效地提高信息的精確度，保證資料的安全性，確保各種農(nóng)業(yè)作業(yè)的質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)作業(yè)中，無人機(jī)技術(shù)可以采集到農(nóng)作物的莖稈高度、莖稈直徑、葉片大小和生長狀況，也可以對(duì)土壤溫度、土壤濕度、空氣濕度、空氣成分等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在采集到大量的資料后，這些信息會(huì)被傳輸至電腦，由電腦配合其他軟件，以真實(shí)的信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建出一幅立體的3D 圖像。相關(guān)工作人員既可以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，又可以分析各種信息，從而保證農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)達(dá)到預(yù)期效果。無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使得農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量都得到了極大改善，監(jiān)測(cè)的精確度也得到了極大提升。

3.2 降低費(fèi)用

在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化中采用無人機(jī)技術(shù)，使得農(nóng)業(yè)作業(yè)的費(fèi)用大為減少?，F(xiàn)代化的無人機(jī)技術(shù)，徹底地顛覆了以往的農(nóng)業(yè)作業(yè)方法，提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。在農(nóng)業(yè)作業(yè)中，農(nóng)作物的噴灑是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，以往的噴灑工作都是由傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備來操作，這樣的操作成本高，操作不便，噴灑效果不佳，而且極易受惡劣氣候的影響，容易給操作人員帶來安全隱患，容易導(dǎo)致噴灑工作的失敗。而采用無人機(jī)技術(shù)可以有效地減少操作費(fèi)用和人工費(fèi)用，在沒有任何約束的情況下，無人機(jī)可以進(jìn)行各種噴灑工作，減輕農(nóng)民的作業(yè)壓力。

3.3 提升工作效率

采用無人機(jī)技術(shù)，可以減少傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)手工作業(yè)流程，加快工作速度[4]。同時(shí)，各類軟件的使用可以大幅度地減少錯(cuò)誤，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使得數(shù)據(jù)更加安全有保障。我國地域廣，地形復(fù)雜多樣，農(nóng)田噴灑難易度不同，利用無人機(jī)進(jìn)行噴灑工作，克服了惡劣氣候的影響，同時(shí)也能夠保證在不同氣候條件下的工作進(jìn)度，確保農(nóng)作物噴灑的順利進(jìn)行，比起常規(guī)的農(nóng)機(jī)設(shè)備，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間更為長久，工作效率得到了全面的提升[5]。

3.4 節(jié)約用水

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前的農(nóng)業(yè)用水總量已經(jīng)達(dá)到了全國用水總量的65%，并且出現(xiàn)了大量的浪費(fèi)水資源現(xiàn)象。為了解決當(dāng)前水資源短缺的問題，國家發(fā)展了節(jié)水型農(nóng)業(yè)。土壤濕度是一項(xiàng)能反映出地表與大氣之間的熱量、水汽輸送的技術(shù)參數(shù)，利用它實(shí)時(shí)分析土壤的儲(chǔ)水量，能預(yù)測(cè)本區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物生長的需水量[6]。微型無人機(jī)飛行高度低，不受外部干擾。紅外遙感、微波遙感等技術(shù)的應(yīng)用使其在監(jiān)控度和精確度上得到了提高。利用采集到的土壤影像進(jìn)行對(duì)比和分析，可以得到土壤含水量及主要影響參數(shù)，并采取相應(yīng)的防治對(duì)策，從而實(shí)現(xiàn)了生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益雙贏。因此，使用無人機(jī)監(jiān)測(cè)土壤濕度，對(duì)于推進(jìn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有十分重大的意義。

4 無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化中的具體應(yīng)用

4.1 空中植保

農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的植保技術(shù)主要有人工植保和植保機(jī)械。人工植保是以人為主體，借助某種農(nóng)機(jī)設(shè)備在農(nóng)田里進(jìn)行步行噴灑。植保機(jī)械有田間植保機(jī)械和空中植保技術(shù)[7]。田間植保機(jī)械有兩種：一種是自行行走型，另一種是背負(fù)型，這兩種植保方式的工作效率較低，難以實(shí)現(xiàn)高效的噴灑。在無人機(jī)迅速發(fā)展的今天，空中植保技術(shù)已得到廣泛運(yùn)用?？罩兄脖＜夹g(shù)是指在無人機(jī)上搭載相應(yīng)農(nóng)藥，對(duì)大范圍作物進(jìn)行噴灑，實(shí)現(xiàn)了噴藥、噴粉機(jī)的超微化操作，防治效果好，工作效率高，使用成本低。目前，我國無人機(jī)植保業(yè)發(fā)展很快，根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的調(diào)查，2021 年全國植保無人機(jī)保有量97 931 架，同比增長了39.22%。預(yù)計(jì)未來我國年飛防作業(yè)面積將達(dá)到50 億畝次，全國將需要約30 萬架植保無人機(jī)。但在農(nóng)藥噴灑中，由于無人機(jī)噴灑量高，容易受到降雨、風(fēng)速、氣壓等環(huán)境因素的干擾，導(dǎo)致噴灑作業(yè)的位置發(fā)生偏差，降低了農(nóng)藥使用效率。為了解決上述問題，國內(nèi)有關(guān)專家在2020 年率先將“無人機(jī)噴藥接觸角”的概念引入到無人機(jī)噴灑作業(yè)中，使其準(zhǔn)確、科學(xué)地進(jìn)行噴灑，降低了農(nóng)藥的損耗率[8]。

4.2 評(píng)估農(nóng)作物產(chǎn)量

科學(xué)地預(yù)測(cè)農(nóng)作物的產(chǎn)量，是保證國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的關(guān)鍵。目前，利用無人機(jī)技術(shù)，將遙感影像技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型相結(jié)合，在農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)方面得到了廣泛的運(yùn)用。首先在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物的種植方式以及種植場(chǎng)所逐漸發(fā)生變化，而種植在大棚里的農(nóng)作物，采用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，可監(jiān)測(cè)作物冠層、水分、溫度、土壤以及長勢(shì)，以適應(yīng)農(nóng)作物的生長要求。接著通過無人機(jī)與高速攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等獲取作物航拍圖像，再利用電腦技術(shù)對(duì)大棚的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物溫度和光照的智能化調(diào)控，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估結(jié)果對(duì)于作物生產(chǎn)的整體管理措施調(diào)整及決策具有十分關(guān)鍵的指導(dǎo)意義。

4.3 監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境

近年來，隨著國家現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，我國生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重[9]。因此，監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展起到了十分關(guān)鍵的作用。在農(nóng)業(yè)生態(tài)監(jiān)測(cè)中，由于傳統(tǒng)的手工監(jiān)測(cè)和繪制任務(wù)繁重，工作效率低，且地域龐大，使得手工監(jiān)測(cè)工作難度增大。而利用無人機(jī)技術(shù)可以輕松獲取農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的圖像，收集農(nóng)田生長信息，并結(jié)合人工智能等先進(jìn)算法快速分析影像數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供全面、高效的信息。同時(shí)，無人機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田全方位、多尺度、多頻率的高分辨率多光譜監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多使用基于單光譜波段的虛擬信息數(shù)據(jù)。然而，不同作物在不同的生長期有著不同的光譜響應(yīng)模式，只有同時(shí)獲取多個(gè)波段的光譜信息，才能較好地識(shí)別和監(jiān)測(cè)作物生長狀態(tài)。無人機(jī)可以搭載多個(gè)傳感器，包括多光譜相機(jī)、紅外相機(jī)、寬幅相機(jī)等，快速獲取地面不同深度、不同波段、不同頻率的圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多樣化、多光譜、多因素監(jiān)測(cè)，這對(duì)農(nóng)業(yè)合理布局及環(huán)境監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

4.4 監(jiān)測(cè)土壤濕度

監(jiān)測(cè)土壤濕度是農(nóng)業(yè)作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)橥寥罎穸葧?huì)影響農(nóng)作物的生長。如果土壤過于干燥，作物可能受到溫度變化、風(fēng)吹和日曬的影響而無法生長；過度濕潤的土壤會(huì)導(dǎo)致作物根部壞死、細(xì)菌和真菌繁殖，導(dǎo)致作物死亡。因此，監(jiān)測(cè)土壤濕度可以及時(shí)確定作物是否需要更多的水和肥料等管理措施。以往，監(jiān)測(cè)土壤濕度需要人工將傳感器插入土壤中記錄數(shù)據(jù)，這種方法耗時(shí)耗力且數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)。而有了無人機(jī)技術(shù)，監(jiān)測(cè)土壤濕度工作變得更加高效和精確。首先，無人機(jī)可以利用感測(cè)器掃描大面積土地，以獲取土壤濕度的數(shù)據(jù)。感測(cè)器可以向下輻射微波信號(hào)來監(jiān)測(cè)土壤濕度，收集數(shù)據(jù)后即時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)管站點(diǎn)或移動(dòng)平臺(tái)上，使管理員能夠快速分析數(shù)據(jù)并及時(shí)做出農(nóng)作物管理決策。其次，在無人機(jī)的配備傳感器中，有些可同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)，如土質(zhì)、溫度和濕度。這些傳感器獲取了土壤的多維數(shù)據(jù)，顯示出不同土壤深度的參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以幫助管理者做出更為準(zhǔn)確的作業(yè)判斷[10]。

4.5 科學(xué)灌溉

灌溉是農(nóng)業(yè)作業(yè)的基本操作。將無人機(jī)技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)機(jī)械中，可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的排水和灌溉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。無人機(jī)技術(shù)用于農(nóng)業(yè)灌溉中，既能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌溉的效果，又能有效地節(jié)省農(nóng)業(yè)用水，從而推進(jìn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展。在進(jìn)行農(nóng)作物灌溉之前，有關(guān)部門可以根據(jù)農(nóng)田面積、農(nóng)作物的密度和農(nóng)作物的生長需要，利用無人機(jī)技術(shù)采集農(nóng)田數(shù)據(jù)，并自動(dòng)地分析農(nóng)田需水量，然后通過對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備的精確控制，科學(xué)地對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉。當(dāng)需要灌溉較大面積的農(nóng)田時(shí)，可以利用多架無人機(jī)完成多次任務(wù)協(xié)同作業(yè)，大量降低單次灌溉的成本與時(shí)間，并且可以按照農(nóng)作物的種植狀態(tài)，定時(shí)定量地進(jìn)行作業(yè)。這樣既能滿足灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)于大面積水源、氣象條件等的要求，同時(shí)也能促進(jìn)農(nóng)作物的生長，保證農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。

5 結(jié)語

綜上所述，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的普及，極大地提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用給農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展帶來了極其廣闊的發(fā)展前景。無人機(jī)技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，具有成本低、效率高以及范圍廣等特點(diǎn)。若將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化中，不僅能夠推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率得到極大提高，還能夠保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化，把人工勞動(dòng)強(qiáng)度降到最低，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，以此推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化中起到了十分重要的作用，相關(guān)工作人員應(yīng)予以重視和推廣。