無人機(jī)信息技術(shù)概況及無人機(jī)在果園生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用研究

摘 要：近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的發(fā)展，全新的高科技創(chuàng)新性技術(shù)開始運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是果園土壤營養(yǎng)調(diào)查、病蟲害防治及水肥一體化生產(chǎn)等方面實(shí)踐中的應(yīng)用越來越廣泛。無人機(jī)技術(shù)不僅可以給果園生產(chǎn)帶來強(qiáng)大的推動(dòng)力，也可以更好地促進(jìn)果園生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展，有助于更好地進(jìn)行現(xiàn)代化果園生產(chǎn)技術(shù)改造，提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量，助推鄉(xiāng)村振興。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；果園；生產(chǎn)實(shí)踐；鄉(xiāng)村振興

無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)中的應(yīng)用可以提高管理精細(xì)化程度、減少農(nóng)藥使用，提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量和安全性，優(yōu)化資源利用和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策，從而促進(jìn)果園生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和智能化發(fā)展。筆者在本文中分析了無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展概況，介紹了其在果園生產(chǎn)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與局限性，并對(duì)其未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望（圖1）。

1 無人機(jī)技術(shù)發(fā)展概況

無人機(jī)是指不攜帶操作人員、由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、可重復(fù)使用、利用空氣動(dòng)力承載飛行、可攜帶有效載荷、在遠(yuǎn)程控制或自主規(guī)劃的情況下完成指定任務(wù)的航空器。隨著電子技術(shù)、材料技術(shù)以及空氣動(dòng)力學(xué)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)逐漸向小型化、信息化和輕量化發(fā)展。

2 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢(shì)

無人機(jī)與智慧農(nóng)業(yè)有著密切的關(guān)系。智慧農(nóng)業(yè)是利用現(xiàn)代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集、分析和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和精細(xì)化管理。而無人機(jī)作為一種重要的信息獲取工具，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低成本、改善環(huán)境效益，符合農(nóng)業(yè)綠色、智能化發(fā)展的趨勢(shì)[1]。在農(nóng)田巡查與監(jiān)測(cè)方面，無人機(jī)可以搭載多種傳感器，如紅外線、多光譜、熱成像等，用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的健康狀況、土壤質(zhì)量、水資源利用等，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)管理。在病蟲害監(jiān)測(cè)與防治方面，利用高清相機(jī)、光譜傳感器等技術(shù)，無人機(jī)可以快速掃描農(nóng)田，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害，及時(shí)進(jìn)行防治，減少農(nóng)藥的使用[2]。通過無人機(jī)還可以進(jìn)行精準(zhǔn)化施肥和噴藥，提高施肥噴藥效果，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全。無人機(jī)可以結(jié)合攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)大面積農(nóng)田進(jìn)行測(cè)量和量化分析，比如獲得水稻株型、株高等參數(shù)，輔助農(nóng)民進(jìn)行水稻管理[3]。在識(shí)別和采摘方面，通過機(jī)器視覺和智能算法，無人機(jī)可以識(shí)別和采摘成熟的果實(shí)，提高采摘效率和果實(shí)品質(zhì)[4]（圖2）。

隨著科技與相關(guān)配套設(shè)施的不斷發(fā)展與完善，無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有著多方面的優(yōu)勢(shì)。在多傳感器集成與數(shù)據(jù)處理上，未來的無人機(jī)將集成更多種類的傳感器，并通過數(shù)據(jù)處理和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

3 無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)實(shí)踐中的優(yōu)勢(shì)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，無人機(jī)在果園生產(chǎn)中的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大，并為果農(nóng)提供更多的便利和效益。果園生產(chǎn)中的許多工作，如巡檢、監(jiān)測(cè)、施肥和采摘等，傳統(tǒng)的人工操作往往效率低下且耗時(shí)，而無人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高效化，減少人工成本，提高了生產(chǎn)效率。無人機(jī)可以快速掃描和監(jiān)測(cè)果園，提供及時(shí)的數(shù)據(jù)反饋，幫助果農(nóng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。無人機(jī)可以自動(dòng)執(zhí)行一些農(nóng)業(yè)任務(wù)，如噴灑農(nóng)藥、施肥和采摘，提高生產(chǎn)效率，減少人力成本。洛川縣蘋果園實(shí)施無人機(jī)噴藥的試驗(yàn)結(jié)果表明，無人機(jī)噴藥和傳統(tǒng)噴藥相比可以減少農(nóng)藥用量 80%，噴藥用水減少 95%，整個(gè)生產(chǎn)季節(jié)中，使用無人機(jī)噴藥的果園比傳統(tǒng)方式噴藥的果園減少勞動(dòng)時(shí)間 13 天，全年節(jié)約雇工成本 600 元[5]。

此外，果園中的生長(zhǎng)狀況、病蟲害和土壤質(zhì)量等因素對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要影響。通過搭載各種傳感器和高分辨率相機(jī)，無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)果園中各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精細(xì)化管理，監(jiān)測(cè)果園的生長(zhǎng)狀況、土壤質(zhì)量和病蟲害情況等[6]。王騰[7]學(xué)者在基于無人機(jī)傾斜攝影的柑橘冠層特征提取與產(chǎn)量預(yù)估中的研究表明，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取冠層特征并應(yīng)用于奈維林娜臍橙的產(chǎn)量預(yù)估，平均絕對(duì)誤差為3.76，平均相對(duì)誤差絕對(duì)值為4.43%，證實(shí)了這一模型在生產(chǎn)實(shí)踐中的有效性。通過精確的數(shù)據(jù)收集和分析，果農(nóng)可以更好地了解果樹的需求，有針對(duì)性地施肥、灌溉和防治病蟲害，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，提高果園的可持續(xù)性。例如，大疆農(nóng)業(yè)與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所合作，進(jìn)行了植保無人機(jī)田間試驗(yàn)，推動(dòng)了無人機(jī)在果園應(yīng)用的模式，實(shí)現(xiàn)了果樹的精準(zhǔn)防疫（圖3）。

在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全性方面，傳統(tǒng)的果樹施藥往往不夠精確，存在過量使用和藥物殘留的問題。而無人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑，根據(jù)果樹的生長(zhǎng)情況和病蟲害發(fā)生情況，精確計(jì)量和噴灑農(nóng)藥，減少了農(nóng)藥的使用量，降低對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)得到保護(hù)，避免浪費(fèi)和誤傷，減少對(duì)環(huán)境的污染，提高果品的質(zhì)量和安全性，滿足消費(fèi)者對(duì)綠色果品的需求。另外，無人機(jī)可以用于果樹的授粉，提高果實(shí)的結(jié)實(shí)率和品質(zhì)。通過搭載粉塵或噴霧裝置，無人機(jī)可以在果樹間飛行，實(shí)現(xiàn)精確的授粉。

在減少勞動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)方面，果園生產(chǎn)中人工操作往往需要面對(duì)高強(qiáng)度勞動(dòng)和潛在的風(fēng)險(xiǎn)，如攀爬樹木、施藥時(shí)接觸危險(xiǎn)物質(zhì)等。通過引入無人機(jī)技術(shù)，可以將人工操作的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。多架無人機(jī)還可以進(jìn)行集群協(xié)作和協(xié)同作業(yè)，提高效率和擴(kuò)大覆蓋范圍。例如，一架無人機(jī)可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，另一架無人機(jī)可以進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，提高果園生產(chǎn)的效率。

在農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展方面，無人機(jī)技術(shù)代表了農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展方向，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和新興科技結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化管理，推動(dòng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、高效化和可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)。

在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策方面，無人機(jī)搭載的傳感器和相機(jī)可以收集大量的果園數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，果農(nóng)可以更好地了解果園的土壤質(zhì)量、水分狀況和養(yǎng)分需求等，有針對(duì)性地進(jìn)行土壤改良、水資源管理和養(yǎng)分調(diào)控，進(jìn)行準(zhǔn)確的決策和規(guī)劃，優(yōu)化果園管理策略，優(yōu)化資源利用效率，減少浪費(fèi)，提高果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)。無人機(jī)可以用于果園的監(jiān)測(cè)和診斷，幫助果農(nóng)了解果樹的生長(zhǎng)狀態(tài)、病蟲害情況和營養(yǎng)狀況。例如，無人機(jī)搭載的相機(jī)和傳感器可以獲取果樹的圖像和光譜數(shù)據(jù)，幫助果農(nóng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施。無人機(jī)搭載的傳感器和相機(jī)可以產(chǎn)生大量的果園數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和決策支持系統(tǒng)進(jìn)行處理，幫助果農(nóng)做出科學(xué)決策，優(yōu)化果園管理策略，提高果樹的產(chǎn)量和質(zhì)量。馮健等[8]利用無人機(jī)傳感器影像技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套柑橘果園的產(chǎn)量估算系統(tǒng)，試驗(yàn)表明在果園中對(duì)柑橘產(chǎn)量的估算獲得了最高88.6%的準(zhǔn)確率，能夠切實(shí)輔助果農(nóng)對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行估算，為果園的智慧管理提供科學(xué)決策依據(jù)（圖4）。

4 推廣無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用的可行性建議

無人機(jī)技術(shù)在果園中有著種種優(yōu)勢(shì)，但是鑒于推廣成本高、培訓(xùn)難度大等因素，在生產(chǎn)實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用還存在著現(xiàn)實(shí)困難。為了進(jìn)一步推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，可以通過政策支持、技術(shù)培訓(xùn)，以及合作平臺(tái)建設(shè)等多方面的措施來推動(dòng)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，從而提高果業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，推動(dòng)果業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

第一，政府部門可以制定相關(guān)政策，鼓勵(lì)和支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和企業(yè)使用無人機(jī)技術(shù)。政策可以包括財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠和技術(shù)培訓(xùn)等方面，以降低無人機(jī)技術(shù)的成本和推廣難度。第二，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新。政府部門可以加大對(duì)無人機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入，推動(dòng)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)加強(qiáng)合作，提升無人機(jī)的性能和功能。同時(shí)，鼓勵(lì)創(chuàng)新，推動(dòng)無人機(jī)技術(shù)與其他農(nóng)業(yè)技術(shù)的融合，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。第三，建立規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)部門可以制定相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的安全和可靠性。第四，提供技術(shù)支持和培訓(xùn)。政府部門可以組織專業(yè)團(tuán)隊(duì)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和企業(yè)提供無人機(jī)的培訓(xùn)和技術(shù)支持。通過培訓(xùn)，提高操作人員對(duì)無人機(jī)技術(shù)的理解和應(yīng)用能力，推動(dòng)無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。第五，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)的監(jiān)管，確保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的合法、安全和可持續(xù)應(yīng)用。包括制定相關(guān)法律法規(guī)，加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)操作人員的培訓(xùn)和資質(zhì)認(rèn)證，以及建立無人機(jī)飛行管制和隱私保護(hù)機(jī)制。第六，可以搭建農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)與無人機(jī)技術(shù)企業(yè)之間的合作平臺(tái)，促進(jìn)雙方的合作交流和技術(shù)共享。通過合作，推動(dòng)無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的創(chuàng)新和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和鄉(xiāng)村振興的目標(biāo)。

5 無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)中的局限性與改進(jìn)方向

雖然無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)中具有許多優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，但同時(shí)也存在一些局限性。比如無人機(jī)的飛行受限于天氣條件，如強(qiáng)風(fēng)、暴雨等惡劣天氣可能導(dǎo)致無法正常操作，可能會(huì)影響果園生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)施。無人機(jī)飛行時(shí)間和載荷能力有限，電池壽命和承載能力制約了單次飛行的時(shí)間和攜帶設(shè)備的能力。此外還有技術(shù)操作和數(shù)據(jù)處理與分析的復(fù)雜性。操作無人機(jī)需要具備一定的飛行技能和專業(yè)的操作知識(shí)。飛行參數(shù)的設(shè)定、航線規(guī)劃、遙控操作等都需要操作人員具備相應(yīng)的技術(shù)能力，增加了技術(shù)門檻和人力成本。在數(shù)據(jù)處理上，大量由無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析，這需要專業(yè)的技術(shù)和人力資源支持。在初期投入與運(yùn)營成本方面，無人機(jī)技術(shù)的引入需要較大的初期投入，此外，維護(hù)、修理和更新設(shè)備也需要一定的運(yùn)營成本，這對(duì)一些經(jīng)濟(jì)條件較差的果農(nóng)可能有一定的壓力。在飛行安全與隱私保護(hù)方面，果園生產(chǎn)中無人機(jī)操作存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，如碰撞、墜落等可能對(duì)人員和設(shè)備造成危害。無人機(jī)在果園中飛行時(shí)應(yīng)密切關(guān)注安全，避免與人員或建筑物發(fā)生碰撞。此外，無人機(jī)攜帶的相機(jī)等設(shè)備也可能引發(fā)隱私保護(hù)方面的問題，需要應(yīng)用相關(guān)法律法規(guī)，保護(hù)用戶隱私。果園的布局、不同果樹的生長(zhǎng)特點(diǎn)等因素需要有針對(duì)性地進(jìn)行無人機(jī)飛行路徑規(guī)劃和作業(yè)模式設(shè)定[9]。因此，對(duì)于不同種植模式和果樹種類的果園，無人機(jī)的應(yīng)用需要適應(yīng)性調(diào)整和個(gè)性化布局。

雖然無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)中存在一些局限性，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，這些問題有望得到緩解或解決。果農(nóng)在應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮具體需求和現(xiàn)實(shí)條件，并結(jié)合其他手段，選擇適合的解決方案。為了更好地利用無人機(jī)技術(shù)，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)無人機(jī)的性能和操作技術(shù)，與果園實(shí)際情況的適配。無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)應(yīng)用中的改進(jìn)方向和發(fā)展前景有以下幾個(gè)方面[10]。

第一，智能化和自動(dòng)化。未來的無人機(jī)可能會(huì)更加智能化和自動(dòng)化。通過引入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，無人機(jī)可以更好地了解果園的需求，并自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，這將提高生產(chǎn)效率和減少人力成本。同時(shí)通過提高傳感器的精確性等方式，保障無人機(jī)的飛行安全，減少可能存在的安全事故[11]。

第二，數(shù)據(jù)分析和決策支持。隨著無人機(jī)搭載的傳感器和相機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，收集到的果園數(shù)據(jù)將更加豐富和精確。通過數(shù)據(jù)分析和決策支持系統(tǒng)，果農(nóng)可以更好地利用這些數(shù)據(jù)，做出更準(zhǔn)確的決策，優(yōu)化果園管理策略，提高果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。此外，通過信息技術(shù)的支持，進(jìn)一步保障用戶的信息與隱私安全。

第三，環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡。無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)中的應(yīng)用可以更好地保護(hù)環(huán)境和維護(hù)生態(tài)平衡。通過精準(zhǔn)噴灑和精細(xì)化管理，可以減少農(nóng)藥和化肥的使用，降低對(duì)環(huán)境的影響。此外，無人機(jī)還可以用于監(jiān)測(cè)和預(yù)警病蟲害，及時(shí)采取措施，保護(hù)果園的生態(tài)系統(tǒng)。

6 結(jié) 語

無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用廣泛，在農(nóng)業(yè)、航拍攝影、物流運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。無人機(jī)技術(shù)在果園生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)明顯，發(fā)展前景非常廣闊。隨著新材料、新能源和新技術(shù)的應(yīng)用，無人機(jī)的續(xù)航能力和載荷能力將進(jìn)一步提升。未來，無人機(jī)將在果園生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用，進(jìn)一步提高管理效率、優(yōu)化資源利用、保護(hù)環(huán)境和推動(dòng)果業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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