無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及展望

?周 超，向緒友，鐘 旭，賀 藝?

（湖南省農(nóng)業(yè)信息與工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及展望

周 超，向緒友，鐘 旭，賀 藝

（湖南省農(nóng)業(yè)信息與工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

綜述了近年來(lái)無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要是在農(nóng)情監(jiān)測(cè)、作物觀測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研輔助、食品安全、電子商務(wù)等方面為農(nóng)業(yè)提供服務(wù)；總結(jié)了無(wú)人機(jī)應(yīng)用中續(xù)航能力及通訊范圍受限、使用成本高以及安全性不高等問(wèn)題，并對(duì)可能存在的潛在應(yīng)用進(jìn)行了展望，為促進(jìn)無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)深層次應(yīng)用提供參考。

無(wú)人機(jī)；農(nóng)業(yè)；應(yīng)用；展望

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)人機(jī)”，英文縮寫(xiě)為“UAV”，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器[1]。近年來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，伴隨著技術(shù)的突破和成熟，加之無(wú)人機(jī)工作適用性好，操作靈活，方便快捷等優(yōu)勢(shì)，使無(wú)人機(jī)在諸多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并逐漸作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中的一種新型設(shè)備，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的信息化和精準(zhǔn)化的發(fā)展。

農(nóng)用無(wú)人機(jī)的主體是無(wú)人機(jī)，其本質(zhì)上是一種平臺(tái)，通過(guò)在平臺(tái)上配置不同的應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的農(nóng)用目的。例如，配置了農(nóng)藥噴灑模塊的無(wú)人機(jī)就是通常所說(shuō)的“植保無(wú)人機(jī)”，配置了成像設(shè)備的無(wú)人機(jī)就是“遙感觀測(cè)無(wú)人機(jī)”等。1987年Yamaha公司受日本農(nóng)業(yè)部委托，生產(chǎn)出世界上第一架農(nóng)用無(wú)人機(jī)“R50”，目前日本擁有注冊(cè)農(nóng)用無(wú)人機(jī)2 346架，成為農(nóng)用無(wú)人機(jī)噴藥第一大國(guó)[2]。我國(guó)自2008年開(kāi)始有了單旋翼無(wú)人機(jī)低空低量施藥技術(shù)的研究。2013年1月，農(nóng)用航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在海南三亞成立，搭建包含高校、科研單位及企業(yè)在內(nèi)的技術(shù)交流平臺(tái)，主要從事相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品的研究，以推動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的深入應(yīng)用。當(dāng)前農(nóng)用無(wú)人機(jī)的研究還處于初級(jí)階段。

1 無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 監(jiān)測(cè)與觀測(cè)

通過(guò)在無(wú)人機(jī)上配置高清數(shù)碼相機(jī)、高清攝像頭、多光譜儀、高光譜儀、熱像儀、各種傳感器等專(zhuān)業(yè)成像設(shè)備，獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可應(yīng)用于農(nóng)作物生長(zhǎng)及健康狀況評(píng)估、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)、自然災(zāi)害評(píng)估、農(nóng)作物病蟲(chóng)草害發(fā)現(xiàn)與預(yù)警、農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地資源測(cè)量、畜禽管理、畜禽疫病發(fā)現(xiàn)等方面。在國(guó)外，2002 年美國(guó)宇航局的運(yùn)用無(wú)人機(jī)搭載高分辨率彩色多光譜成像儀對(duì)Kauai咖啡公司的種植區(qū)進(jìn)行拍攝，將拍攝到的圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)行加強(qiáng)和分析，以監(jiān)督雜草爆發(fā)、暴露灌溉及施肥異常等情況；西班牙研究者使用無(wú)人飛行器搭載光譜設(shè)備，檢測(cè)在400-800nm 光譜區(qū)內(nèi)葉片的胡蘿卜素含量；2013 年，José Manuel Pena mail 使用無(wú)人機(jī)攜帶近紅外多光譜相機(jī)對(duì)玉米田的雜草覆蓋率進(jìn)行分析，生成了一個(gè)雜草的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)雜草覆蓋的估計(jì)圖像分析取得了令人滿意的結(jié)果；法國(guó)學(xué)者Amélie Quiquerez使用無(wú)人飛行器監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤表面特征對(duì)環(huán)境侵蝕的影響，為土壤模式和栽培山坡水土流失分析的描述提供了新的見(jiàn)解[3]。在我國(guó)，李冰等人運(yùn)用無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)，以冬小麥為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冬小麥覆蓋度變化的監(jiān)測(cè)[4]；高輝等人運(yùn)用無(wú)人機(jī)和成像光譜儀開(kāi)展了基于無(wú)人機(jī)的低空農(nóng)作物成像光譜遙感平臺(tái)的研制和應(yīng)用示范,建立了基于低空高光譜遙感信息的應(yīng)用模型，得到農(nóng)作物不同生育期的成像光譜儀遙感反演模型和相應(yīng)災(zāi)害遙感反演模型[5]。青海省地礦測(cè)繪院李玉梅開(kāi)展了“無(wú)人機(jī)航空攝影在農(nóng)村土地承包確權(quán)工作中的應(yīng)用”工作，目的在于利用無(wú)人機(jī)的“監(jiān)測(cè)與觀測(cè)”類(lèi)應(yīng)用解決“承包地塊面積不準(zhǔn)、四至不清、空間位置不明確、登記簿不健全等問(wèn)題”[6]。內(nèi)蒙古河套區(qū)管理總局和西北農(nóng)林科技大學(xué)合作，使用固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)搭載實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別獲取兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤水分和作物水含量的信息，拓寬了灌區(qū)自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域和方向[7]。

1.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)

通過(guò)在無(wú)人機(jī)上配置高精度定位器、機(jī)械臂等作業(yè)裝置，無(wú)人機(jī)就成為了三維可移動(dòng)機(jī)器人，可完成各種農(nóng)作任務(wù)，當(dāng)前和可預(yù)測(cè)的應(yīng)用包括:田間播種、植保噴藥、田間施肥、田間授粉、水面投料、設(shè)施巡檢等。20 世紀(jì)90年代起，日本在大田作物、果樹(shù)和蔬菜的病蟲(chóng)害防治上開(kāi)始應(yīng)用無(wú)人直升機(jī)，近年來(lái)，無(wú)人機(jī)植保作業(yè)因其單位面積施藥液量小、作業(yè)效率高和農(nóng)藥飄移少等優(yōu)點(diǎn)在日本發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本應(yīng)用無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行病蟲(chóng)害防治的水稻種植總面積占有45%[8]；美國(guó)65%的化學(xué)農(nóng)藥采用飛機(jī)作業(yè)完成噴灑，其中水稻施藥作業(yè)100%采用航空作業(yè)方式。在我國(guó)，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用大部分也集中在“植保”方面，安徽、河南、河北、山東、江西、湖南、新疆等很多省份都陸續(xù)開(kāi)展了植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用與推廣。自2008年起，浙江大學(xué)、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位為代表開(kāi)展了GPS自動(dòng)導(dǎo)航、低空施藥等技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了在操作平臺(tái)上精確規(guī)劃航跡進(jìn)行精準(zhǔn)噴藥作業(yè)。湖南省是第一架半步低空飛防作業(yè)的省份，也是享受農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼的第一個(gè)省份，巨大的政策利好帶動(dòng)湖南農(nóng)用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用研究迅速發(fā)展。湖南永興縣運(yùn)用無(wú)人機(jī)對(duì)冰糖橙種植區(qū)進(jìn)行木虱防治任務(wù)，有效提高了冰糖橙對(duì)黃龍病的預(yù)防能力；荀棟等在湖南地區(qū)利用TH80-1型植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行了低空低容量噴霧和人工電動(dòng)噴霧器大容量噴霧兩種不同施藥方式田間效果進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明該方式對(duì)水稻中后期主要病蟲(chóng)害稻飛虱、稻縱卷葉螟和枯紋病的防治效果顯著，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)噴藥[9]。另外，山東省運(yùn)用無(wú)人機(jī)對(duì)蝗蟲(chóng)進(jìn)行防治，有效遏制了蝗蟲(chóng)在小麥、玉米的蔓延。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明，將無(wú)人機(jī)用于植保作業(yè)，能極大提高作業(yè)效率，且不會(huì)對(duì)土壤進(jìn)行重復(fù)碾壓，不傷作物，能提高農(nóng)藥有效利用率，在一定程度上減少勞動(dòng)力。在無(wú)人機(jī)播種方面，美國(guó)俄勒岡州無(wú)人機(jī)創(chuàng)業(yè)公司DroneSeed開(kāi)發(fā)出一種高速播種無(wú)人機(jī)，可運(yùn)用壓縮空氣把種子射入土壤中，此設(shè)備已應(yīng)用與美國(guó)西北部森林再造，大大提高了造林工作效率。

1.3 其他領(lǐng)域

無(wú)人機(jī)在科研輔助、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)電子商務(wù)等領(lǐng)域也存在著潛在應(yīng)用空間。在科研輔助方面，可運(yùn)用無(wú)人機(jī)可對(duì)科研目標(biāo)整體情況以及單個(gè)科研目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)和觀察，有效提高科研工作者工作效率。Kohei Arai等利用無(wú)人機(jī)搭載近紅外相機(jī)對(duì)茶葉氮含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，闡明了紅外反射率與總氮含量之間的關(guān)系，提出了茶葉氮含量與近紅外反射的評(píng)價(jià)方法[10]。Bending等基于無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)平臺(tái)獲取大麥株高進(jìn)行多次研究，建立大麥株高與生物量的估算模型[11]。楊貴軍等研發(fā)了一套農(nóng)業(yè)多載荷無(wú)人機(jī)遙感輔助小麥育種信息獲取系統(tǒng)，利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載高清數(shù)碼相機(jī)、多光譜儀及熱像儀等多載荷傳感器，提出了無(wú)地面控制點(diǎn)條件下的無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)集合精校正模型，實(shí)現(xiàn)多載荷遙感數(shù)據(jù)幾何校正[12]。楊琦等以廣西糖料蔗為研究對(duì)象，采用無(wú)人機(jī)搭載RGB高清數(shù)碼相機(jī)構(gòu)成低空遙感平臺(tái)，提取株高并運(yùn)用糖料蔗重要生育期估算其LAI，得到了較好的精度[13]。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全方面，當(dāng)前應(yīng)用主要著手源頭，針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)階段存在的植保問(wèn)題，利用無(wú)人機(jī)做到精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)施肥及用藥。在農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)領(lǐng)域，目前無(wú)人機(jī)的應(yīng)用主要在農(nóng)產(chǎn)品智慧物流中。Google、UPS 等公司從 2012年就開(kāi)始測(cè)試無(wú)人機(jī)送貨，2013 年底，亞馬遜公布了一款叫 Prime Air 的 8 翼無(wú)人機(jī)，能夠運(yùn)輸一件五磅重的快遞，并于2016年完成了第一次試投，這在電商快遞領(lǐng)域具有里程碑式意義。在國(guó)內(nèi)，京東在西安建設(shè)全球物流供應(yīng)鏈總部和全球無(wú)人機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)基地項(xiàng)目，并與陜西省政府開(kāi)展基于包含智慧物流體系、傳統(tǒng)物流體系升級(jí)、農(nóng)村電商等6方面的全面合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)鮮農(nóng)產(chǎn)品的及時(shí)運(yùn)送。

2 無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的不足

2.1 續(xù)航能力及通訊范圍受限

常用農(nóng)用無(wú)人機(jī)受機(jī)身重量及搭載輔助器件的影響，一般續(xù)航時(shí)間為20～60 min，通訊距離根據(jù)搭載的通信模塊不同，其通訊范圍在0.5～15 km之間不等。大疆M200無(wú)人機(jī)最大載重2 kg，通訊控制范圍半徑7 km，最長(zhǎng)飛行時(shí)間只有38 min，嚴(yán)重暴露了載重下無(wú)人機(jī)續(xù)航能力低下的不足。在低負(fù)載下，例如只搭載圖像采集設(shè)備的農(nóng)用無(wú)人機(jī)，最大續(xù)航也基本不超過(guò)60 min。由于在農(nóng)業(yè)中無(wú)人機(jī)都是進(jìn)行大范圍的作業(yè)，承重能力太低、續(xù)航時(shí)間太短、通信范圍過(guò)窄會(huì)導(dǎo)致實(shí)用性的降低。

2.2 使用成本高

無(wú)人機(jī)按照平臺(tái)構(gòu)型分類(lèi)，可分為固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇、傘翼無(wú)人機(jī)和撲翼無(wú)人機(jī)。用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的無(wú)人機(jī)一般采用固定翼和旋翼2種，其價(jià)格根據(jù)其功能的不同，售價(jià)在5萬(wàn)～40萬(wàn)之間不等，推廣價(jià)格優(yōu)勢(shì)不明顯[14]。且每臺(tái)無(wú)人機(jī)需要配備一個(gè)專(zhuān)業(yè)飛控手，據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)專(zhuān)業(yè)飛控手人工費(fèi)約12元/667m2，每年工作時(shí)間約0.5 a，年計(jì)人工費(fèi)約30萬(wàn)～40萬(wàn)元不等，相對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)而言，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用無(wú)人機(jī)極大的增加了人工成本。加之我國(guó)農(nóng)業(yè)集約化、規(guī)?；讲桓?，作物生產(chǎn)較為分散。各方面因素的影響，使農(nóng)用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用推廣受到極大阻礙。

2.3 安全性不足

安全性不足主要體現(xiàn)為：飛行過(guò)程受環(huán)境天氣影響大、飛行安全性不高等問(wèn)題。北京天力發(fā)公司的Wingtra固定翼無(wú)人機(jī)擁有垂直起降的能力，其抗風(fēng)能力達(dá)到5～6級(jí)，能承受一定程度的惡劣天氣，耐惡劣環(huán)境能力在農(nóng)用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域處在前列，但降落時(shí)易因風(fēng)力影響導(dǎo)致降落地點(diǎn)距離預(yù)期偏離較大。惡劣的作業(yè)環(huán)境會(huì)極大影響農(nóng)用無(wú)人機(jī)的飛行作業(yè)效果，另外，地理環(huán)境也是需要考慮的問(wèn)題，如：作業(yè)范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)過(guò)高建筑、高壓電塔、電桿等飛行障礙物，需要有合適無(wú)人機(jī)的起降點(diǎn)等，諸多限制因素導(dǎo)致了農(nóng)用無(wú)人機(jī)應(yīng)用的受限。另外，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的農(nóng)用無(wú)人機(jī)在關(guān)鍵技術(shù)、可靠性、操作便利性等方面都與行業(yè)領(lǐng)先水平存在一定差距。

3 無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用展望

3.1 硬件研究

飛行器設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)適合農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域應(yīng)用的不同無(wú)人機(jī)型號(hào)外觀，減輕不必要承重，最大程度提升工作效率；提升飛行器抗惡劣天氣影響的能力，提升其安全性?，F(xiàn)階段農(nóng)用無(wú)人機(jī)大多采用電池供電，較燃油驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)而言，降低了成本及機(jī)身尺寸，同時(shí)也提高了便攜性及安全性。

飛行導(dǎo)航系統(tǒng)方面，利用“GPS/北斗+Wi-Fi+基站”的定位方式，提高導(dǎo)航精度；優(yōu)化飛行算法，提升航行規(guī)劃精確性、智能性。

續(xù)航能力方面，由于農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)要求搭載的設(shè)備越來(lái)越豐富，要求的飛行時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)，使用鋰電池已漸漸無(wú)法滿足各種應(yīng)用環(huán)境的需求，現(xiàn)階段，石墨烯、太陽(yáng)能、燃料電池是人們研究無(wú)人機(jī)新能源的主要方向。研究“太陽(yáng)能+燃料/電池”混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)，提升無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。

3.2 應(yīng)用研究

在植保領(lǐng)域，未來(lái)將植保無(wú)人機(jī)與大型地面機(jī)械化植保裝備相結(jié)合，形成空中和地面優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的立體植保模式[15]。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全領(lǐng)域，可運(yùn)用無(wú)人機(jī)在短時(shí)間內(nèi)獲取大面積的農(nóng)產(chǎn)品安全溯源信息，比如：無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載傳感設(shè)備，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)中重金屬等含量進(jìn)行大面積實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境可追溯。在農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)領(lǐng)域，可運(yùn)用無(wú)人機(jī)采集和發(fā)布農(nóng)產(chǎn)品實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程信息，實(shí)現(xiàn)基于直播的遠(yuǎn)程看樣定貨及交易的新型農(nóng)業(yè)電商模式，這對(duì)于大宗農(nóng)產(chǎn)品B2B電子商務(wù)有著積極的推動(dòng)作用。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)研究

農(nóng)業(yè)航空法規(guī)方面，結(jié)合當(dāng)前民航法規(guī)體系的相關(guān)條款，針對(duì)農(nóng)業(yè)航空出臺(tái)針對(duì)性法規(guī)，規(guī)范農(nóng)用無(wú)人機(jī)低空飛行安全程序，保障飛行安全。農(nóng)用無(wú)人機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，制定農(nóng)用無(wú)人機(jī)制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、各應(yīng)用領(lǐng)域的管理及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，保障作業(yè)效果、應(yīng)用發(fā)展的需求及農(nóng)民權(quán)益。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的綜合分析我們不難看出無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)行業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著極大的作用。但同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用集中在農(nóng)業(yè)植保方面，對(duì)于其他農(nóng)業(yè)深層次應(yīng)用，特別是農(nóng)業(yè)科研、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)電子商務(wù)等領(lǐng)域鮮有涉獵?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)，無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用勢(shì)必會(huì)向農(nóng)業(yè)深層次應(yīng)用方向延伸，為現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)提供了更為有利的技術(shù)支撐。

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Application and Prospect of Unmanned Aerial Vehicle in Agriculture

ZHOU Chao，XIANG Xu-you，ZHONG Xu，HE Yi

（Hunan Agricultural Information and Engineering Research Institute, Changsha 410125, PRC）

this paper reviews the application of unmanned aerial vehicles in the field of agriculture in recent years, mainly to provide services for agriculture in agricultural monitoring, crop observation, agricultural production, scientific research assistant, food safety,electronic commerce etc.; This paper summarizes the problems in the application of UAV, such as the endurance and the limited communication scope, the high cost and the low safety. It also prospects the potential applications, and provides references for promoting the deep level application of UAV agriculture.

UAV; agriculture; application; Prospect

S252

A

1006-060X（2017）11-0080-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.022

2017-08-15

湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016NK2184)；湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)（2016TD10）

周 超（1984-），男，湖南長(zhǎng)沙市人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用推廣研究。

（責(zé)任編輯：肖彥資）