无人机在智慧农业方面的应用.pdf

农业 航空 起 始 于 20世纪 20年代 随 着 科技的 快 速 发展 目 前 农业 航空 已 经 成 为 世 界 各 国 农业 领域 不 可 缺 少 的 一部 分 智慧 农业是现代农业发展的 目 标 无人 机 具 有 作 业效 率 高 单位 面 积 药液 用量 小 无 须 专 用 跑 道 机 动 性 好 等特 点 且 结 合 了 信息 通信 人 工 智 能 大 数 据 和 物 联网 等技 术 为 智慧 农业的发展 提 供了 空 间和 平台 无人 机 性 能 良 好 其 优越 性是地 面 机 械 无法 替 代的 此 外 无人 机 在 农业的 多 个方 面 包括 农业 遥感 监测 病虫害防 治 种 子撒播 等 都 具 有 广泛 应用 1 农业无人机 的 应用 1 1 无人机在遥感监测方面 的 应用 无人 机 遥感 即 无人 机 和 遥感 技 术 的 结 合 可 利 用 先 进 的 无人 机 驾驶 技 术 遥感 监测 技 术 传感 器 技 术 GPS定位技 术 等 具 有 自动 化 智 能 化 信息 化等 优 点 无人 机 遥感 在 多 个 领域 都 扮演 着 重 要 角色 例 如 气 象 监测 资源 调 查 与监测 测 量 方 面 和 突 发事 件 处 理 1 随 着 科技的不 断进步 无人 机 遥感 技 术 在 精 准农 业 方 面 快速 发展 许 多 发 达 国 家 从 20世纪 就 已 经 开 始 研究 精 准农业技 术 国 内 发展 比 较 晚 但 随 着 遥感 RS 全球卫星 定位系统 GPS 地理 信息 系统 GIS 以及 我 国 北 斗卫星 导 航 系统的不 断 完善 及 其定位技 术 的不 断 提 高 无人 机 遥感 技 术 有 了很 大 的 进 展 为 我 国 精 准农业发展 提 供了 技 术 支持 2 利 用 无人 机 遥感 监测 技 术 可 以 收集 作 物 的 多 光 谱 图 像 这些 图 像 可 以 生 成 光谱 反 射 带 通 过 计算 机 处 理 这些波 段 可 以 得 到 归 一 化 植被 指数 NDVI 叶 面 积 指数 LAI 或 光 化学反 射 指数 PRI 等指标 其 中 归 一 化 植被 指数 NDVI 数 据 与 农业 制 图 工 具 中的 作 物 水分 胁迫 指数 CWSI 和 冠 层 叶绿 素 含 量指数 CCCI 等其 他 指标相 结 合 可 以 提 供对 作 物 健康 有 价 值 的 建 议 使 人 们 了 解 肉眼 不可 见 的 作 物 变 化和 胁迫 条件 兰玉彬 等 3 通 过 无人 机 遥感 技 术 获 得 柑橘 果 园 的 高 光谱 图 像 经 过 一 系 列 分析计算 通 过 图 像 分 辨 出 感 染 黄 龙 病 的 植 株 与 健康 植 株 正 确 率 高 达 94 7 大大 提 高 了 果 园 管 理效 率 和 政 府 防 控 病 情 的 力度 另 外 无人 机 遥感 还 可用 于 农 作 物 病 态监测 和 产 量 估 算等 过 程 1 2 无人机在精准植保 病虫草害防治 方面 的 应用 粮食 安 全 制约着 国 家 的发展水 平 而 病虫 草 害 直 接 对 农 作 物 的 产 量和质量 造成 影响 我 国 是农业 大 国 病虫 草鼠 害 造成 的 粮食损 失 高 达 1 2亿 t 发 生 面 积 年 均 4 67亿 公 顷 次以上 4 目 前 在 全球 范围 内 病 虫 草 害 的 主要 防 治手 段 依 然 是 喷洒 化学农 药 但 是 我 国 农 药 使 用技 术 和农 药 喷洒 设 备 比 较 落 后 农 药 利 用 率 一 直 比 较低 在此 背景 下 采用 无人 机 进 行 精 准 施 药 对 保障我 国 粮食 安 全 具 有 重 要 作 用 5 无人 机 作 为 新 型 植 保 机 械 其 搭载 的 全球 定位系 摘要 智慧农业将 数 字农业 与 精 准 农业有机联 系为 一个整体 而无人机在智慧农业 中 起着 不可 忽视 的 作 用 本文 阐述 了 无人机在遥感监测 精 准 植保 棉花脱叶 种 子撒播 和 赶花授粉等 方 面 的 应 用 情况 关键词 无人机 智慧农业 应 用 中图分类号 S252 文献标识码 A 文章编号 1007 5739 2021 11 0157 02 DOI 10 3969 j issn 1007 5739 202 1 11 069 开放科学 资源服务 标识码 OSID ApplicationofUAVinSmartAgriculture CAOZhong SHANChangfeng YANGChengleiWANGQingyu WANGGuobin SchoolofAgriculturalEngineeringandFoodScience ShandongUniversityofTechnology ZiboShandong255049 Abstract Smartagricultureorganicallyconnectsdigitalagricultureandprecisionagricultureasawhole andUAVplays animportantroleinsmartagriculture ThispaperdescribedtheapplicationofUAVinremotesensingmonitoring precisionplant protection cottondefoliation seedsowingandflowerpollination Keywords UAV smartagriculture application 无人机在智慧农业方面 的 应用 曹众单常峰杨承磊王庆雨王国宾 山东理工 大 学农业工程 与 食品 科学学 院 山东 淄博 255049 通 信作者 收稿日期 2020 12 06 现代农业科技 20 21年第 11期 农业工程学 157 现代农业科技 20 21年第 11期 农业工程学 统 GPS 和地理 信息 系统 GIS 可 以 为 实现 精 准 施 药 提 供 技 术 保障 可 在 多种 地理 环境 下 进 行植 保 作 业 植 保 无人 机 在 药 剂喷 施 方 面 有 很 多 优 势 一 是 高 效 安 全 植 保 无人 机 的 飞 行作 业 速 度 可 达 3 8m s 其农 药 喷洒 效 率 高 达 13 33 26 67hm 2 d 是 传 统 人 工 施 药 的 60倍 以上 另 外 植 保 无人 机 可 通 过 地 面 遥 控或 飞 控 系统 进 行 操 作 减 少 了 农 药 与 施 药 人 员 的接 触 提 高 了 施 药 作 业的 安 全 性 二 是 节 水 节 药 利 用 植 保 无人 机 喷洒 技 术 至 少 可 以 节 约 30 50 的农 药 用量 节 约 90 的用水量 大大 提 高 了 农 药 的 利 用 率 三 是 防 治 效果 显著 植 保 无人 机 喷洒 精 准 农 药 利 用 率 高 提 高 了对 病虫害 的 防 治 效果 四 是 成 本 低 植 保 无人 机 整 体 尺寸 小 重 量 轻 易 于 维护 6 随 着精 准农业的发 展 植 保 无人 机 在 病虫 草 害防 治 方 面 的地位 日 益 突 出 目 前 植 保 无人 机 面 临 的问 题 是 缺 少 最佳 施 药 方 案 和 如 何 最 大 限 度 地 提 高 喷 雾 精 度 和 减 少 飘移 1 3 无人机在棉花脱叶方面 的 应用 新 疆 是 我 国 棉花 的 主要 产 区 其 棉花 种 植面 积 和 产 量 均 达 到 全 国 的 50 以上 近 年 来 随 着 植 保 机 械 的 快速 发展 新 疆棉花 的 全 程 生产 逐渐趋 向 机 械 化 7 喷 雾 落叶剂 是 棉花 机 械 化采 收 的 重 要 组成 部 分 全 面 均 匀 地 喷 施 落叶剂 可 以 改 善 棉花 的 落叶 质量 降低 棉 花 中的 杂 质 含 量 由于 棉花 冠 层 的 叶 片 重叠 给 传 统 的地 面 喷洒 机 喷洒 作 物 带 来 不 便 无人 机 快速 高 效的 作 业 方 式 非常适 合 喷洒 棉花脱 叶剂 与 传 统 打顶 机 械 相 比 使 用 植 保 无人 机 还 不 会 留 下 辙印 和 损 伤 作 物 可 减 少 对 土 壤 和 作 物 的 损 害 无人 机 不 仅 给 棉花脱 叶 带 来 方 便 其 对 脱 叶剂 的 利 用效 率 也 大大 提 高 有 研究 表明 添 加 航空 喷 雾助 剂 可 以 显著 提 高 脱 叶 雾滴 的 沉 积 量 喷 施 15d后 落 叶 率 达 80 31 吐絮 率 达 90 61 添 加 航空 喷 雾助 剂 可 使 棉花 落叶 率 提 高 3 12 34 62 吐絮 率 提 高 6 67 29 56 8 目 前 对 无人 机 应用 棉花 落叶剂 的 研 究 较 少 如 何 提 高 棉花 中 低层 落叶剂 雾滴 的 覆盖 率 使 雾滴充 分 均 匀 地分 散 在 棉花 冠 层 对 于 提 高 落叶 效 果 及 棉花 品 质 具 有 重 要 意义 1 4 无人机在种子撒播方面 的 应用 农业 物 料 常 见 的 撒播 对 象 是 小 粒 径 种 子 肥 料 颗 粒 等 与 育 苗 相 比 撒播 节 省 了 移栽 成 本 提 高 了 作 业 效 率 是 一种 比 较 常 见 的直 播 方 式 无人 机 进 行 撒播 一 般 是 在 无人 机 上 挂 载撒播 装 置 物 料 撒播 作 业 过 程 主要 分 为 排 种 和 抛 撒 其中 排 种大部 分 由 排 种 器完 成 而 抛 撒 的技 术 有多种 主要有 离 心 式 抛 撒 气 力式 抛 撒 均 匀 杆 式 抛 撒 和 摆 管式 抛 撒 目 前 比 较 常 见 的 无人 机 撒播 装 置 为 离 心 圆盘 式 该 技 术 是 利 用 离 心 力 将 物 料 从 高 速 旋 转 的 离 心 盘 上 甩 出 抛 撒 的 均 匀 度 主要 与 圆盘 的 转 速 和 叶 片 有 关 抛 撒 的 幅 度比 较大且为 圆弧 形 但 播撒 的 均 匀 性 不 稳 定 宋灿灿 等 9 设 计 了 一种气 力式无人 机 撒播 装 置 采用 播 量可 调 的 外 槽轮 排 种 以 风 机产生 的 高 速 气 流作 为种 子撒播 的 动力 其 排 量 随 无人 机 前 进 速 度 的 变 化 而 调 节 提 高 了 无人 机 撒播 作 业的 均 匀 性 要 实现 无人 机 的 精 准 撒播 需 要 综 合 考 虑 无人 机 作 业 状 态 和 撒播 装 置 的 变 量 调 节 以 提 高 无人 机 撒播 过 程 中的 稳 定性和 均 匀 性 10 无人 机 在 种 子撒播 方 面 的应 用 推 动 着精 准农业的发展 具 有 重 要 的 研究 意义 且 目 前 空 中 撒播 技 术 已 经 在 世 界范围 内 被 广泛 应用 于 水 稻 撒播 1 5 无人机在赶花授粉方面 的 应用 在 现代农业 生产过 程中 采用 机 械 化 及 自动 化 赶 花授粉 可 以 有 效地 提 高 作 业效 率 及 作 业质量 在 部 分 瓜 果 蔬菜 等 作 物 的 种 植管 理 上 也可 以 使 用 无人 机 进 行 辅助授粉 与 传 统 人 工 授粉 相 比 在 一 定 条件 下 使 用 无人 机 进 行 授粉 可 提 高 作 物 成 功授粉 的 概 率 改 善 人 工 授粉 和 自 然 授粉 的不 足 11 在 有 些 条件 下 传 统 的 杂 交 水 稻 制 种 相 关 技 术 已 经 无法 满足 杂 交 水 稻 的 发展 需 求 目 前 无人 机 赶花授粉 技 术 在杂 交 水 稻 制 种 方 面 的应用 已 经 在 一 些 发 达 国 家 颇 有 成 效 在 国 内 一 些 试验点 的应用效果也 比 较 理 想 12 有 学 者 研究 小 型 无人 机 在 旋翼 风 场 下的水 稻花粉 分 布 规 律 选 择 出 了 适 合 无人 机 授粉 的 飞 行 速 度 为 无人 机 水 稻授粉 提 供了 理 论 指 导依 据 目 前 无人 机 授粉 时 针 对 不同 花蕊花 期的 喷洒 范围 和 喷洒 速 度 还 有 待 研究 需 要 考 虑 作 物 的 高 度 生 长 周 期 花蕾 期等 综 合 因 素 影响 2 展望 无人 机 是 精 准农业的 重 要 组成 部 分 精 准农业 又 是现代农业 生产 和现代 信息 科技的 有 机 结 合 精 准农 业的技 术 水 平 直接影响 着 智慧 农业的发展 速 度 和质 量 因此 无人 机 在 农业 方 面 的应用 对 智慧 农业的发 展 起着 不可 忽视 的 作 用 通 过 无人 机 搭载 的 智 能 化 传 感 器 和 视频 监 控 设 备 对 农 作 物 信息 进 行 采 集 通 过 现 有 的 物 联网 技 术 可 以 观测 农 作 物 的 病虫害信息 也可 以 实 时 显 示 出 农 作 物 的 生 长 状 况 和 生 长 环境 提 供对 农业 作 业 有 用的 信息 同 时 在 现代科技的 推 动 下 无 人 机 与 互 联网 物 联网 和 大 数 据 等现代技 术 密 切 结 合 为 智慧 农业发展 提 供了 不可 缺失 的 平台 和 载 体 下 转第 162页 158 现代农业科技 20 21年第 11期 农业工程学 区 农业 机 械 化发展 引 导 农 机 企 业 充 分 认 识 今 后安 徽 省 农业 机 械 化的发展 趋 势 及 山 区 农业 机 械 生产 的 巨 大 市 场 让 有 关 农 机 企 业 积 极 主 动 投 入人力 物 力 财 力 抢 占 山 区 农 机 市 场 份 额 并 从 中 获 取 利 润 促 进 良 性 循 环 在 宣 传 上 充 分发 挥 基 层 综 合农事 服 务中心 作 用 让 先 进 技 术能 够 得 到 推 广 让 农资 产 品 能 够 走 得 出 去 让 农 机 作 业 信息 及 时 传 到 农 户 让 农 户 不 再 为 农 机 维护 烦恼 让 农 机 的 管 理 与 服 务 为 山 区 机 械 化 水 平 的 提 升 保驾 护 航 在 政 策 上 倾斜 研 发 上 发 力 经济 上 帮 扶 宣 传 上 引 导 以 山 区 特 色 农 产 品 生产 初 加 工 机 械 化 为 突破 口 推 动安 徽省 山 区 农业 装 备 的 结 构 优 化和 产 品 升 级 让 农业 生产 适 应 机 械 机 械 契 合农业 生产 全 方 位 提 高 安 徽省 山 区 农业 机 械 化水 平 5 参 考 文献 1 赵蓉蓉 改革 开 放 以 来 我 国 农业 机 械 化 政 策 及 其效果分 析 以 山 西 省 平陆 县 为 例 D 西 安 西 安 建 筑 科技 大 学 2010 2 许 欧阳 安 徽省 农业 机 械 使 用效 率 区 域 差 异 分析 J 农 家 参 谋 2020 3 86 3 王 贤 华 加 速 丘陵 山 区 农业 机 械 化的 途径 及 措施 J 湖北 农 机 化 2020 6 9 10 4 高 洁 安 徽省 农业 机 械 化发展水 平 及对 策 研究 D 合 肥 安 徽 农业 大 学 2014 5 罗 艳霞 农业 机 械 推 广 工 作 中的 策 略 分析 J 现代农业科 技 2018 18 174 175 6 邬舒 静 安 徽省 粮食 产 量的影响 因 素研究 J 江 西 农业学 报 2016 28 10 116 119 7 舒 文 绍 推 进 南 方 丘陵 山 区 农业 机 械 化发展的反 思探索 J 农 家 参 谋 2020 11 89 8 王 梅 丘陵 山 区 农 机 化 与 乡 村 产 业 振兴 J 山东农 机 化 2020 3 20 21 9 徐峰 政 策 解 读 从 2020年中 央 1号 文 件 观 察 农 机 化发 展 形势 J 农业 机 械 2020 2 76 79 10 张 桃林 全 面 推 动 农业 机 械 化 全 程 高 质 高 效发展 J 山东 农 机 化 2019 2 12 14 11 毛 雪 朱海 娣 马友 华 等 安 徽省 现代特 色 农业 生 态 地 质 条件 分析 J 中 国 农学 通报 2016 32 29 194 199 12 王 亮 安 徽省 特 色 农 产 品 促 销 策 略 研究 J 农 村 经济 与 科 技 2011 22 4 40 42 13 王成 武 安 徽 山 区 农 机 化发展现 状 与 对 策 分析 J 农 机 使 用 与 维 修 2017 10 32 33 14 王 广 跃 安 徽省 农业 机 械 普 及 现 状 及 改 善 途径 J 乡 村 科 技 2018 26 127 128 15 董 文 忠 农业 机 械 化应用现 状 及 其 在 农业 生产 中的 作 用 分析 J 农 民 致 富 之 友 2018 8 180 16 王 晓 静 许 诺 徐 济益 安 徽省 粮食 主 产 区 的现实 困 境 与 破 解 路 径 J 安 徽 工业 大 学学 报 社 会 科学 版 2018 35 4 22 25 17 徐 庆 辉 探索 小 型农业 机 械 在 皖 南 山 区 的 推 广 与 应用 J 南 方 农 机 2016 47 9 14 15 18 何 晓 富 皖 南 山 区 农业 机 械 化发展 研究 J 乡 村 科技 2017 26 93 94 19 吴 红 丽 皖 南 山 区 推 广小 型农业 机 械 的 有 效 途径 J 时 代 农 机 2017 44 11 13 20 关 景 灵 南 方 丘陵 山 区 农业 机 械 化发展问 题 研究 以 广 西 贺 州 市 为 例 J 湖南 农业科学 2015 4 122 124 21 张世云 提 高 农业 机 械 化水 平 推 进 山 区 农业现代化发 展 J 农 家 参 谋 2020 4 99 22 苗 芳 山 西 省 丘陵 山 区 农业 机 械 化发展现 状 与 对 策 J 农 业工程技 术 2020 40 17 54 上接 第 158页 未 来无人 机 将 给 智慧 农业 带 来 新 的 变 化 3 参 考 文献 1 金 伟 葛 宏 立 杜 华 强 等 无人 机 遥感 发展 与 应用 概 况 J 遥感信息 2009 24 1 88 92 2 汪沛 罗 锡 文 周 志 艳 等 基 于 微 小 型 无人 机 的 遥感信息 获 取 关 键 技 术综 述 J 农业工程学 报 2014 30 18 1 12 3 兰玉彬 朱 梓豪 邓 小 玲 等 基 于 无人 机 高 光谱 遥感 的 柑 橘 黄 龙 病 植 株 的 监测与 分 类 J 农业工程学 报 2019 35 3 92 100 4 兰玉彬 无人 机 的农业应用 J 紫 光 阁 2017 1 86 5 兰玉彬 王 国 宾 中 国 植 保 无人 机 的 行 业发展 概 况 和发展 前 景 J 农业工程技 术 2018 38 9 17 27 6 蒋 智 超 刘朝 宇 浅谈 植 保 无人 机 发展现 状 及 趋 势 J 新 疆 农 机 化 2016 2 30 31 7 陈 学 庚 赵 岩 新 疆 兵团 农业 机 械 化现 状 与 发展 趋 势 J 华 东 交 通 大 学学 报 2015 32 2 1 7 8 XIAOQG XINF LOUZX etal Effectofaviationspray adjuvants on defoliant dropletdepositionand cotton defoliationefficacysprayedbyunmannedaerialvehicles J Agronomy 2019 9 5 217 9 宋灿灿 周 志 艳 姜锐 等 气 力式无人 机 水 稻 撒播 装 置 的 设 计 与 参数 优 化 J 农业工程学 报 2018 34 6 80 88 10 宋灿灿 周 志 艳 罗 锡 文 等 农业 物 料 撒播 技 术 在 无人 直 升 机 中应用的 思 考 J 农 机 化 研究 2018 40 9 1 9 11 吴 锐 无人 机 在 现代农业中的应用 综 述 J 农业工程技 术 2020 40 27 44 45 12 陈 水 法 浅谈 杂 交 水 稻 制 种 机 械 化发展 J 南 方 农 机 2018 49 9 53 162