信陽市農(nóng)業(yè)電子技術(shù)研究所 劉智 蔡傳成 張志鋒

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多軸無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用

信陽市農(nóng)業(yè)電子技術(shù)研究所 劉智 蔡傳成 張志鋒

近年來，不少國家把多軸（又稱多旋翼）無人機(jī)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，取得了很好的效果。隨著我國農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、專業(yè)化、集約化經(jīng)營管理，用多軸無人機(jī)來提高我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平顯得尤為重要。多軸無人機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、使用方便、效率高、價低廉的機(jī)械，現(xiàn)將多軸無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用技術(shù)介紹如下：

一、多軸無人機(jī)的選型

多軸無人機(jī)一般有四軸、六軸、八軸、十軸4種，作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上一般用途的最多選用六軸無人機(jī)就可以了。而且驅(qū)動軸的多少僅是一方面，關(guān)鍵是必須要盡量選用裝有性能完善的“飛控板”的多軸無人機(jī)，因為“飛控板”是多軸無人機(jī)的“心臟”，完全決定著無人機(jī)的操控和使用性能。如裝有KK或FF“飛控板”的四軸無人機(jī)，價格相對便宜，但操控有一定的難度，因此應(yīng)選擇裝有相當(dāng)于“玉兔”二代“飛控板”的多軸無人機(jī)。若能選擇價位稍高一些的，如裝有NAZA或Wookong-M“飛控板”的多軸無人機(jī)則更好，因為它支持手機(jī)操控和調(diào)整飛行參數(shù)，內(nèi)置云臺增穩(wěn)、精準(zhǔn)定位懸停、多種飛行模式和智能控制、熱點環(huán)繞、GPS定位、自動導(dǎo)航、失控自動返航等多種完善的功能，操控容易，使用安全、可靠、方便。

二、多軸無人機(jī)的具體應(yīng)用和相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立

（一）多軸無人機(jī)在農(nóng)田科學(xué)施肥方面的應(yīng)用

首先，應(yīng)建立農(nóng)作物缺素表征圖譜數(shù)據(jù)庫。經(jīng)驗證明，在農(nóng)作物增產(chǎn)的各項措施中施肥所起的作用為40%～60%。由于高產(chǎn)農(nóng)作物會不斷地從田地中帶走大量的養(yǎng)分，因此，在整個農(nóng)作物生長發(fā)育過程中隨時都有可能發(fā)生某種養(yǎng)分缺乏的現(xiàn)象，必須及時發(fā)現(xiàn)及時補(bǔ)充，以免影響農(nóng)作物的正常生長。由于養(yǎng)分缺乏會使農(nóng)作物體內(nèi)的正常代謝發(fā)生紊亂，會在農(nóng)作物原有形態(tài)上出現(xiàn)某些特有的異常缺素癥狀。以小麥為例，在小麥生長中缺“氮”時，小麥植株瘦小，葉片短而窄，葉色淡且呈淺綠色或黃綠色，尖端枯死；缺“磷”時，小麥葉色暗綠，葉尖發(fā)焦呈紫紅色，葉鞘發(fā)紫，葉片無斑點且狹窄；缺“鉀”時，小麥植株呈藍(lán)綠色，葉軟下披，下部葉片的葉尖及邊緣枯黃呈火燒狀。另外，小麥在缺鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬、氯微量營養(yǎng)元素時，其植株外部形態(tài)都有異常的特殊表現(xiàn)。所以，將農(nóng)作物植株缺乏某種營養(yǎng)元素時所表現(xiàn)的異常特殊表征，用數(shù)字圖譜記錄存貯在數(shù)據(jù)庫中，這樣當(dāng)攜帶有圖像采集和發(fā)射裝置的多軸無人機(jī)在田間空中巡查發(fā)現(xiàn)某塊農(nóng)田中作物群體表征異常時，便可利用多軸無人機(jī)的精確定位懸停功能，及時定點懸停，并在懸停垂直位置上，上下調(diào)節(jié)好最佳觀察高度，進(jìn)行精確觀察辨認(rèn)。這時，當(dāng)多軸無人機(jī)采集到的現(xiàn)場作物群體所表現(xiàn)的缺素圖像異常特征和已存入數(shù)據(jù)庫中的作物缺乏某種營養(yǎng)元素所表現(xiàn)的異常特征經(jīng)識別（可采用簡便的人工同步識別技術(shù)）對照相吻合時，便可根據(jù)田塊的編號和坐標(biāo)位置，有針對性地給缺素田塊的作物添施缺少的營養(yǎng)元素。采用這種先進(jìn)的多軸無人機(jī)作業(yè)方式和技術(shù)，可真正做到及時、準(zhǔn)確、省時、省力、高效和科學(xué)節(jié)約施肥的目的。

（二）多軸無人機(jī)在農(nóng)作物病蟲害防治方面的應(yīng)用

農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生一般在田間都是由點的發(fā)生蔓延到面的危害，即由發(fā)生初期的塊狀或片狀的發(fā)?。ㄏx）中心，逐漸侵襲擴(kuò)大到整個田塊。因此，可根據(jù)不同病蟲害的發(fā)生時間，利用多軸無人機(jī)提前定期在大田上空巡航監(jiān)視，采用這種居高臨下視野廣的先進(jìn)監(jiān)視手段，即使是地面上剛發(fā)生不容易被發(fā)現(xiàn)的田間疫情，也不會輕易漏掉。對發(fā)現(xiàn)的疫情，在及時預(yù)測預(yù)報的同時，即可立即采取應(yīng)對措施以有效控制，避免成災(zāi)。也可以事前收集不同作物病蟲害對不同作物危害現(xiàn)場特征，記錄成數(shù)字圖譜貯存在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)多軸無人機(jī)放飛在田間上空巡航中，一旦發(fā)現(xiàn)田間發(fā)生的病蟲害危害作物群體特征與數(shù)據(jù)庫中已存入的某種病蟲害危害作物群體特征對照確認(rèn)相同時，即可對確認(rèn)的病蟲害類群采取針對性的防治措施，如用高效多軸無人機(jī)噴灑農(nóng)藥，阻止其蔓延成災(zāi)。

（三）多軸無人機(jī)在農(nóng)田科學(xué)灌溉方面的應(yīng)用

農(nóng)作物的生長發(fā)育對農(nóng)田土壤相對濕度的最佳要求是80%，土壤相對濕度降到60%時，即發(fā)生輕旱；其相對濕度低于40%時，就發(fā)生重旱。一般在農(nóng)田發(fā)生輕旱時就要適當(dāng)灌溉澆水，在農(nóng)田土壤濕度達(dá)到90%時，就需要曬田。因此，必須隨時隨地了解掌握和調(diào)整保持農(nóng)作物生長最適宜的土壤濕度。利用多軸無人機(jī)放飛在田間上空巡視觀察農(nóng)田土壤不同濕度所呈現(xiàn)的不同顏色變化，即可了解掌握土壤不同濕度墑情的變化情況，這時就需要根據(jù)農(nóng)田土壤的不同濕度所顯現(xiàn)的不同顏色，制作一套數(shù)字圖譜存入數(shù)據(jù)庫中待用，這樣也就可以利用多軸無人機(jī)空中取樣所得的信息和已存入數(shù)據(jù)庫中的信息相識別對照的辦法來解決科學(xué)合理灌溉用水的問題。

另外，還可以利用多軸無人機(jī)空中觀察農(nóng)作物因農(nóng)田缺墑而引起的植株葉片、葉梗和嫩梢發(fā)生的凋萎現(xiàn)象作參考，來判斷決定農(nóng)作物是否需要灌溉澆水，從而達(dá)到科學(xué)灌溉、節(jié)約用水的目的。

三、作業(yè)區(qū)的規(guī)劃

在多軸無人機(jī)飛行作業(yè)前，應(yīng)首先草繪一幅作業(yè)區(qū)內(nèi)的田塊分布示意圖，圖內(nèi)應(yīng)標(biāo)明每塊田地的大體形狀和面積及種植作物的品種，以及作業(yè)區(qū)內(nèi)的池塘、道路、建筑物、林木等一切妨礙多軸無人機(jī)飛行作業(yè)的障礙物名稱和位置，再根據(jù)作業(yè)區(qū)田塊的自然分布位置對圖上的田塊進(jìn)行排序編號，將圖上的田塊編號相對應(yīng)于田塊，用大小適當(dāng)已編上號的號牌，插在田塊內(nèi)的適當(dāng)位置上，這樣便于多軸無人機(jī)將采集到的農(nóng)田信息對號應(yīng)用，同時也是多軸無人機(jī)選擇飛行作業(yè)模式的依據(jù)。另外，對于面積較大的作業(yè)區(qū)和相距較遠(yuǎn)的成片田塊，可以規(guī)劃成若干個作業(yè)小區(qū)，小區(qū)內(nèi)田塊的編號可在阿拉伯?dāng)?shù)字田塊編號的前邊冠以A、B、C等符號來區(qū)分。

四、飛行作業(yè)模式設(shè)計

多軸無人機(jī)合理的飛行作業(yè)模式設(shè)計，是保證多軸無人機(jī)留空時間的有效利用和提高飛行作業(yè)效率的保證。因此，應(yīng)該根據(jù)作業(yè)區(qū)內(nèi)田塊的分布和田塊的自然形狀來設(shè)計決定飛行作業(yè)模式。對于狹長相連的田塊可以采取串聯(lián)中線法飛行作業(yè)；對于面積較寬、幾塊靠近的田塊，可以采取并聯(lián)平行線法飛行作業(yè)；0.33hm2以上面積較大的單獨田塊，可以沿田塊中線用“S”形飛行作業(yè)；0.33hm2以下面積較小的田塊，應(yīng)采用中線法或?qū)蔷€法飛行作業(yè)。總之，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場田塊的形狀和分布特點靈活設(shè)計飛行作業(yè)路線，切記一個原則，飛行模式的設(shè)計一定要盡量減少無效功的飛行時間，要盡量提高多軸無人機(jī)在有限留空時間內(nèi)的有效利用率。

五、飛行高度和飛行速度的設(shè)定

設(shè)定好合適的農(nóng)田飛行作業(yè)高度和速度，是無人機(jī)作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量的可靠保證。其設(shè)定一般是根據(jù)機(jī)載相機(jī)的像素多少和相應(yīng)的解像能力來確定最佳飛行高度，像素為1 000萬以上的相機(jī)，當(dāng)農(nóng)田飛行作業(yè)高度設(shè)定為30m或50m時，對于鏡頭焦距為35mm，其成像夾角為63°的相機(jī)來說，當(dāng)飛行高度定為30m時，則可以計算出其田間視野帶寬為36.7m，定點懸停的視野面積則為0.11hm2。在同樣的飛行高度下，當(dāng)相機(jī)鏡頭焦距為28mm，對應(yīng)成像夾角為75°時，相機(jī)的視野帶寬則可達(dá)到46m，其定點懸停時，其視野面積則可復(fù)蓋0.17hm2。在飛行高度為50m，當(dāng)鏡頭焦距為35mm，其對應(yīng)成像夾角為63°時，則其視野帶寬即可達(dá)到61.28m，在定點懸停時，其地面視野面積則可達(dá)到0.29hm2。在50m的高度上，當(dāng)相機(jī)鏡頭焦距為28mm，成像夾角為75°時，則其地面視野帶寬更大，可達(dá)76.7m，在定點懸停時其地面視野面積就可復(fù)蓋0.47hm2。以上僅為選取作業(yè)飛行高度時的參考?？傊?，在保證多軸無人機(jī)空中視察最佳效果的情況下，可以盡量選定較高一點的作業(yè)飛行高度，以便提高作業(yè)效率。

多軸無人機(jī)在田間的作業(yè)飛行速度，主要以田間的視察對象和飛行高度來定，總之，其飛行作業(yè)速度可在1m～5m/s選定。

六、飛行作業(yè)時間安排

在農(nóng)作物生長季節(jié)，飛行作業(yè)時間一般以每周升空對農(nóng)田視察作業(yè)1次即可，但對象和時期不同，還必需增加飛行作業(yè)次數(shù)。如對小麥來說，對其不同生長發(fā)育時間在對某種營養(yǎng)元素需求量最大的高峰期內(nèi)，缺素情況最容易發(fā)生，例如小麥在越冬后返青至抽穗期間，營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)，是需氮、磷、鉀營養(yǎng)素最多的時期；拔節(jié)、孕穗至開花，氮、磷、鉀三要素占總吸收量的54.9%、81.4%和89.6%；春小麥孕穗以后對磷的需求量在60%以上。根據(jù)以上情況，多軸無人機(jī)除按規(guī)定保證正常升空飛行對農(nóng)作物的表征變化進(jìn)行監(jiān)視外，都必須增加升空觀察作業(yè)次數(shù)，確保農(nóng)作物在整個生長期缺素情況發(fā)生時得到及時補(bǔ)充。

在農(nóng)作物病蟲害容易發(fā)生的季節(jié)，多軸無人機(jī)每周升空對農(nóng)田的監(jiān)察作業(yè)次數(shù)也必須增加，在“3天一小旱，10天一大旱”的伏天干旱季節(jié)里，多軸無人機(jī)的每周升空監(jiān)查農(nóng)田墑情作業(yè)次數(shù)更應(yīng)該增加，具體增加的作業(yè)次數(shù)，視具體情況而定。

除上述以外，還必須說明的是：多軸無人機(jī)這種科學(xué)、高效、機(jī)動、靈活的先進(jìn)新型飛行工具，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的很多方面都具有非常廣泛的用途，并能起到意想不到的作用，多軸無人機(jī)技術(shù)將給農(nóng)業(yè)帶來一場革命。