無人機在精準農業(yè)中的應用現(xiàn)狀分析.pdf

48 農機使用與維修 2022 年第 12 期 無人機在精準農業(yè)中的應用現(xiàn)狀分析 唐永海 東豐縣黃河鎮(zhèn)綜合服務中心 農機站 吉林 東豐 136321 摘 要 無人機具有結構簡單 成本較低 操控方便等優(yōu)勢 在農業(yè)生產中主要用于植保飛防與地面遙感等技術 方向 可以進行航空植保 種子播撒 肥料噴灑等 對于病蟲害防治 實現(xiàn)精準農業(yè) 保證農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展具 有重要意義 在農業(yè)生產中得到了廣泛應用與發(fā)展 基于植保無人機的主要發(fā)展特點 系統(tǒng)論述了農用無人機 在精準農業(yè)中的主要應用現(xiàn)狀及核心技術 提出農用植保無人機的主要發(fā)展方向 對農業(yè)無人機在精準農業(yè)生 產中的主要應用案例進行分析 關鍵詞 農用無人機 精準農業(yè) 精準降落 作物長勢監(jiān)測 變量噴施 中圖分類號 S127 文獻標識碼 A doi 10 14031 j cnki njwx 2022 12 014 Analysis on The Application Status of UAV in Precision Agriculture TANG Yonghai Comprehensive Service Center of Huanghe Town Dongfeng County Agricultural machinery station Dongfeng 136321 China Abstract UAV has simple structure low cost and easy to control and other advantages mainly in the agricultural pro duction in plant protection flying and ground remote sensing technology can undertake air spraying plant protection seeds fertilizer etc for the prevention and control of plant diseases and insect pests implementing precision agricul ture to ensure the sustainable development of agricultural production is of great significance has been widely used in agricultural production and development Based on the main development characteristics of plant protection UAV this paper systematically discusses the main application status and core technologies of agricultural UAV in precision agricul ture puts forward the main development direction of agricultural plant protection UAV and analyzes the main applica tion cases of agricultural UAV in precision agriculture production Key words agricultural UAV precision agriculture precision landing crop growth monitoring variable spraying 作者簡介 唐永海 1976 男 吉林東豐人 本科 高級工程 師 研究方向為農機技術推廣 0 引言 近年來隨著科技快速發(fā)展 農業(yè)機械裝備已經 發(fā)生了快速的改變 尤其是隨著農用無人機技術的 應用與發(fā)展 給農業(yè)生產中病蟲害防治 精準作業(yè) 等提供了巨大的幫助 農用無人機具有結構簡單 成本較低 操控方便等優(yōu)勢 1 3 在農業(yè)生產中主要 進行植保飛防與地面遙感等應用 可以完成航空植 保 種子播撒 肥料噴灑等作業(yè) 在農業(yè)生產中得到 了更加廣闊的應用 農用無人機在農業(yè)生產過程中 可以攜帶高清 攝像裝備執(zhí)行航空拍攝任務 彌補傳統(tǒng)農業(yè)生產中 遙感衛(wèi)星測量精度較低的問題 在農田環(huán)境監(jiān)測 病蟲害分析 作物長勢分析等方面具有顯著優(yōu)勢 農業(yè)生產者可以借助無人機進行低空航拍及時獲 得農作物長勢情況 及時調整農業(yè)生產措施 保證 農作物高產 穩(wěn)產 4 5 1 農用無人機優(yōu)點 1 1 適應性及通用性較強 農用無人機可以在環(huán)境惡劣 污染較為嚴重的 區(qū)域執(zhí)行生產任務 可以替代人工進行繁重 危險 的工作任務 隨著農業(yè)集約化 大型化發(fā)展 農業(yè)耕 地逐漸集中 當大面積耕地出現(xiàn)病蟲害 無法依靠 人力進行快速防治 而使用農業(yè)植保無人機可以在 最短的時間內解決大面積病蟲害的問題 提高作業(yè) 效率 對于實現(xiàn)糧食高產 穩(wěn)產具有重要意義 1 2 體積小 操作靈活 應用較為安全 植保無人機操作簡單 起降方便 且對操作人 員的培訓周期短 對人員專業(yè)知識要求不高 利用 植保無人機進行防治工作 可以保持人員遠離作業(yè) 區(qū)域 保證工作人員的身體健康 還可以減少農藥 殘留造成的土壤 水流環(huán)境污染等問題 對實現(xiàn)精 準農 業(yè) 發(fā) 展 推動現(xiàn)代化農業(yè)進程具有重要 意義 6 2 精準農業(yè)相關概念及發(fā)展意義 精準農業(yè)又被稱為 精確農業(yè) 或 精細農業(yè) 2022 年第 12 期 農機使用與維修 49 是 20 世紀 80 年代末由美國農業(yè)科學部門提出的 屬于一種以高新現(xiàn)代管理技術為基礎的農業(yè)微觀 管理方式 根據(jù)不同地區(qū)的農作物實際需要進行投 入與管理 精準農業(yè)是以農業(yè)信息技術為支撐 根 據(jù)農業(yè)空間變化 定位 定時 定量地實施一整套現(xiàn) 代化農事操作與管理的系統(tǒng) 屬于一種綜合集成的 高科技農業(yè)應用系統(tǒng) 精準農業(yè)主要包括全球定 位系統(tǒng) 農田信息采集系統(tǒng) 農業(yè)遙感監(jiān)測系統(tǒng) 農 田地理信息管理系統(tǒng) 農業(yè)專家管理系統(tǒng) 智能化 農機裝備系統(tǒng) 農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)集成 網絡 化管理系統(tǒng)和培訓系統(tǒng) 精準農業(yè)可以將遙感 地理信息系統(tǒng) 全球定 位系統(tǒng) 計算機技術 通訊和網絡技術 自動化技術 等高新技術與地理學 農學 生態(tài)學 植物生理學 土壤學等基礎學科有機地結合起來 實現(xiàn)在當前農 業(yè)生產中 對作物耕 種 收 加工 銷售等進行全程 模擬 監(jiān)測 判斷與預測等 從而實現(xiàn)提高農業(yè)資源 利用效率 降低農業(yè)生產成本 改進農業(yè)生產方式 及生態(tài)環(huán)境的目的 是實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必經 之路 3 無人機在精準農業(yè)中的應用 3 1 無人機自主精準降落方法研究 無人機自主精準降落是實現(xiàn)農用無人機精準 作業(yè)的基礎與必備條件 要實現(xiàn)農用無人機的自 主 精準降落 需要在傳統(tǒng)無人機執(zhí)行平臺的基礎 上增加圖像采集裝備及計算機控制系統(tǒng) 通過圖 像采集裝備實時采集無人機飛行圖像 基于視覺識 別技術實現(xiàn)無人機精準降落與實時定位 主要結構 示意圖如圖 1 所示 圖 1 無人機自主精準降落系統(tǒng)結構組成 無人機自主精準降落系統(tǒng)的主要工作過程主 要分為四個主要步驟 主要工作流程如下 1 初始化模塊 首先對農用無人機各個模塊 進行檢查 確保無人機各個組成部分都能正常工 作 檢查無誤后開始無人機操作 2 無人機起飛 按照無人機操作流程實施無 人機飛行任務并執(zhí)行工作 3 自主識別與定位 無人機在開始執(zhí)行飛防 任務后 依據(jù)高清攝像裝置等捕獲無人機圖像 并 通過計算機控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與決策 進而實 現(xiàn)對無人機飛行器的控制 4 自主降落 當無人機執(zhí)行完畢相關工作任 務后 開始確定無人機降落點 不斷降低飛行高度 當降落到一定高度時 確保與降落點對齊后進行快 速降落 主要工作流程如圖 2 所示 圖 2 無人機自主精準降落系統(tǒng)工作流程圖 計算機控制系統(tǒng)是無人機精準降落的重要技 術之一 是實現(xiàn)農用無人機精準作業(yè)的重要保障 其計算機控制核心主要為分層控制 環(huán)環(huán)相扣 主 要控制原理圖入圖 3 所示 3 2 無人機遙感下作物長勢監(jiān)測技術 對農作物實現(xiàn)動態(tài)長勢監(jiān)測 實時調整農業(yè)管 理措施 是保證糧食高產穩(wěn)產的重要條件 其中 作物的光合作用及葉綠素含量是保證作物生長發(fā) 育的重要基礎 直接決定著作物的產量與健康狀 態(tài) 同時可以反映出作物的營養(yǎng)狀況 是指導農業(yè) 生產管理措施的重要指標與控制策略 農作物病 蟲害是威脅農業(yè)生產安全的重要因素之一 也是制 約農業(yè)發(fā)展及糧食產量提高的第一大自然災害 病 蟲害一旦發(fā)生就會迅速蔓延 導致大面積作物感染 50 農機使用與維修 2022 年第 12 期 圖 3 無人機精準飛行控制工作原理圖 發(fā)病 會造成糧食減產與經濟損失 因此 高效 快 速 科學地獲取作物相關長勢參數(shù)及病蟲害檢測模 型 對于實現(xiàn)作物精準管理 精準施藥及保障國家 糧食安全具有重要意義 基于農業(yè)無人機的遙感 采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺 各類傳感器 技術及地面控制系統(tǒng)組成 無人機飛行平臺主要 是搭載無人機飛行的主要載體 以目前常見的無人 機飛行平臺 DJI Matric 600 Pro 為例進行相關技術 參數(shù)介紹與分析 該飛行平臺配備傳感器系統(tǒng)及 全球衛(wèi)星導航系統(tǒng) 技術參數(shù)如表 1 所示 常見的 飛行器高光譜成像系統(tǒng)采用 Nano Hyperspec 主要 技術參數(shù)入表 2 所示 表 1 DJI Matric 600 Pro 主要技術參數(shù) 工作指標 技術參數(shù) 最大起飛質量 kg 15 5 16 5 最大承受風速 m s 1 7 5 9 5 滿載續(xù)航時間 min 18 最大水平飛行速度 km h 1 65 工作環(huán)境溫度 10 40 表 2 Nano Hyperspec 高光譜成像系統(tǒng)主要技術參數(shù) 工作指標 技術參數(shù) 波長范圍 nm 400 1 000 每行像素數(shù) 個 640 波段數(shù) 個 270 光譜分辨率 nm 2 2 工作環(huán)境溫度 0 50 3 3 無人機精準變量噴灑控制技術研究 精準農業(yè)是未來農業(yè)發(fā)展的主要方向與目標 在農業(yè)生產過程中 傳統(tǒng)農藥噴灑管理方式主要是 依據(jù)農戶經驗判斷是否進行病蟲害防治及噴灑 另一方面 在進行農藥噴灑過程中 依靠農戶進行 噴灑會造成農藥噴灑不均勻 容易造成環(huán)境污染 嚴重時還會危害農戶身體健康 采用無人機進行 精準農藥噴灑 可以提高農藥噴灑的安全性與可靠 性 無人機可以動態(tài)調節(jié)農藥噴灑藥量 目前常見 的無人機精準變量噴灑裝置主要基于 PWM 控制 系統(tǒng) 4 結論 隨著農用無人機技術的應用與發(fā)展 為農業(yè)生 產中病蟲害防治 精準作業(yè)等提供了巨大的幫助 農用無人機具有結構簡單 成本較低 操控方便等 優(yōu)勢 在農業(yè)生產中主要進行植保飛防與地面遙感 等工作 可以進行航空植保 種子播撒 肥料噴灑 等 在農業(yè)生產中得到了廣闊的應用 是保證農作 物高產 穩(wěn)產及發(fā)展精準農業(yè)的重要技術之一 本 研究基于無人機相關特點及精準農業(yè)的發(fā)展特征 系統(tǒng)闡述了目前農用無人機在精準農業(yè)中的主要 應用范圍 主要包括農用無人機精準降落技術 作 物長勢監(jiān)測技術及精準變量控制技術等研究結果 對于推動農用無人機技術在精準農業(yè)的發(fā)展提供 技術參考與理論借鑒 參考文獻 1 程建波 公丕臣 顧明成 等 植保無人機的應用現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢 J 農機使用與維修 2019 7 18 19 2 傅東興 黑龍江省農用植保無人機的發(fā)展現(xiàn)狀及前景 展望 J 農機使用與維修 2022 2 36 38 3 曹智 植保無人機避障噴霧路徑規(guī)劃的研究 D 鎮(zhèn) 江 江蘇大學 2021 4 倪弦之 胡一鴻 羅思荃 等 農業(yè)植保無人機的發(fā)展 與應用 J 現(xiàn)代農業(yè)科技 2022 11 99 102 5 張亞輝 多旋翼植保無人機懸停下洗氣流及大豆冠層 對霧滴運動規(guī)律影響研究 D 鄭州 河南農業(yè)大 學 2021 6 成子怡 吳阿敏 王政浩 等 植保無人機的應用及發(fā) 展 J 農機使用與維修 2022 3 100 102 7 蘭智文 植保無人機飛行實驗平臺系統(tǒng)設計與噴灑性 能試驗研究 D 長春 吉林農業(yè)大學 2021 05