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智慧农业 Smart Agriculture Vol 1 No 2 智能化无人机植保作业关键技术及研究进展 徐 旻1 2袁 张瑞瑞1 2袁 陈立平 1 2 袁 唐 青1 2袁 徐 刚1 2 渊1 国家农业智能装备工程技术研究中心袁 北京 100097曰 2 北京农业智能装备技术研究中心袁 北京 100097冤 摘 要院 搭载高性能传感器和施药装备的农业植保无人机系统是精准农业领域具有代表性的智能装备之一遥 本研究首先从前端田间作业环境动态感知技术出发袁 阐述了无人机光谱成像遥感尧 多传感器融合的SLAM 实时环境建模等技术在无人机植保作业方面的应用情况曰 然后对精准施药过程建模与优化控制有关的前沿 技术进行了分析袁 包括旋翼下方风场结构演化及雾滴沉积过程仿真建模尧 多区域全覆盖条件下的智能作业 路径规划尧 精准变量施药控制等曰 最后论述了作业效果评估与过程监管相关技术的发展现状袁 包括施药作 业质量评价方法尧 基于云平台数据管理的全过程可视化监管等遥 在总结现有技术发展现状基础上袁 对未来 智能化无人机植保关键技术发展趋势进行了预测袁 阐明了光谱图像获取与计算智能的深度学习识别聚类尧 基于高精度雾滴谱和风场模型预测的精准变量施药作业路径规划尧 基于传感器实时数据的作业质量评估和 作业监管等新技术手段袁 将在遥感信息反演尧 药液飘移抑制尧 作业效率优化尧 施药过程管控等方面带来革 命性的进步袁 使植保作业数据化尧 透明化袁 全过程可观化可控制袁 推动农业生产管理从机械化向智能化和 智慧化迈进遥 关键词院 无人机曰 植保曰 智能曰 感知曰 施药 中图分类号院 S251 文献标志码院 A 文章编号院 201812 SA025 收稿日期院 2018 12 31 修回日期院 2019 04 02 基金项目院 国家自然科学基金项目 31771674 曰 北京市农林科学院2018创新能力建设专项 渊KJCX20180424冤曰 北京市农林科学院2016 青年科研基金 渊QNJJ201632冤 作者简介院 徐 旻 渊1979 冤袁 男袁 博士袁 副研究员袁 研究方向院 精准农业技术袁 飞行器导航控制与智能控制袁 Email院 xum nercita 遥 通讯作者院 陈立平 渊1973 冤袁 女袁 博士袁 研究员袁 研究方向院 精准农业技术袁 传感器与智能控制袁 电话院 010 51503425袁 Email院 chenlp 遥 doi 10 12133 j smartag 2019 1 2 201812 SA025 徐 旻 张瑞瑞 陈立平 唐 青 徐 刚 智能化无人机植保作业关键技术及研究进展 J 智慧农业2019 1 2 20 33 Xu M Zhang R Chen L Tang Q Xu G Key technology analysis and research progress of UAV intelligent plant protection J Smart Agriculture 2019 1 2 20 33 in Chinese with English abstract 1 引言 在信息技术的推动下袁 现代航空技术迅速发 展袁 尤其是无人机相关技术和应用成爆发态势袁 从军事打击和战场侦查袁 到工业现场电力自动巡 检和交通执法袁 再到日常农业植保施药和摄影娱 乐袁 无人机系统已广泛应用于生产生活的各个领 域遥 农业航空应用是现代农业的重要组成部分和 反映农业现代化水平的重要标志遥 与欧美发达国 家相比袁 我国农业航空技术起步较晚袁 但通过近 年来的高速发展袁 目前中国农业航空已经由最初 的有人驾驶航空器作业为主发展到有人驾驶和无 2019年4月 第1卷第2期 Apr 2019 Vol 1 No 2 人驾驶航空器作业并存的局面袁 尤其是无人机植 保作业规模尧 面积已位居世界前列 1 3 遥 植保无人 机可集成智能飞控系统尧 复合光电吊舱尧 精准变 量喷施设备等多种新型任务载荷袁 对作物进行遥 感信息获取和定量定点精准施药袁 同时利用自身 旋翼下洗风场特性袁 加速雾滴沉积到作物冠层表 面袁 具有复杂地形适应性强尧 作业效率高尧 施药 穿透性好的优势 4 5 遥 2014年袁 在美国麻省理工学 院发布的 叶MIT技术评论曳 中袁 将农业无人机技 术作为第一位袁 列为年度十大突破性科技创新技 术遥 农业农村部2015年2月印发了 叶到2020年 化肥使用量零增长行动方案曳 和 叶到2020年农 药使用量零增长行动方案曳袁 明确提出了 野精准 施肥减量冶 的要求袁 进一步推动了以无人机植保 为代表的超低量作业模式的发展遥 农业植保无人机系统由无人机飞行平台尧 航 空喷洒作业设备尧 作业管理与监控系统组成袁 是 涉及到航空飞行器尧 信息技术尧 流体力学尧 农业 植保等多技术领域交叉融合的复杂作业系统遥 无 人机植保作业面临非常复杂的环境条件袁 一方面 其超低空作业袁 地面构筑物和农田基本水电设施 的会影响其飞行安全曰 另一方面植保作业实效性 强袁 需要在规定的时间段将药剂喷洒至作物特定 的部位袁 才能保证较好的施药效果遥 针上述作业 技术需求袁 科研人员在非结构化条件下的环境实 时感知尧 基于作物病虫害智能识别的智能作业决 策方法尧 基于风场雾滴沉积模型的变量对靶施药 控制尧 以及基于数据的作业评价领域投入了大量 研究袁 将人工智能技术尧 并行计算技术以及智能 硬件等方面取得的突破性方法和技术手段袁 引入 到农业航空作业应用中袁 使无人机植保技术向着 智能化尧 系统化尧 精准化方向发展遥 本研究从农情遥感探测尧 作业过程优化控 制尧 施药效果监管评估三部分对智能化农业无人 机技术发展研究现状进行论述袁 总结了近年来农 业无人机领域代表性技术成果袁 同时对未来智能 农业无人机技术发展趋势进行了分析预测遥 2 作业环境及对象感知探测 2 1 前端作物长势信息智能探测 2 1 1 多光谱传感器获取的作物长势信息 采用微小型无人机搭载多种传感器遥感信息 平台获取农田作物信息袁 具有运行成本低尧 灵活 性高以及获取数据时效性高等特点遥 日本长崎大学学者谷口等 6 采用小无人机搭 载5波段近红外相机和可见光相机对稻米梯田进 行低空遥感影像采集袁 获取了植被覆盖指数 渊Normalized Difference Vegetation Index袁 NDVI冤 数据和水蒸发量之间的相互关系遥 杨贵军等 7 10 利 用光谱辐射仪和成像光谱仪在冬小麦试验田进行 空地联合试验袁 基于获取的孕穗期尧 开花期以及 灌浆期地面数据和无人机高光谱遥感数据袁 实现 了估测冬小麦叶面积指数 渊Leaf Area Index袁 LAI冤曰 同时基于无人机搭载的多传感器平台开发 了作物表型信息获取装备袁 对作物表型特征快速 采集和解析袁 反演作物NDVI尧 株高尧 叶绿素含 量尧 病害易感性尧 干旱胁迫敏感性尧 含氮量尧 产 量等关键信息遥 Patrick等 11 利用植物反射的可见 光和近红外光来研究花生健康状况袁 运用无人机 遥感方式采集了 20种不同基因类型花生的番茄 斑萎病的表型特征袁 通过对比地面调查获得的发 病率真值袁 依据作物表型光谱图像特征构造植被 指数袁 建立被感染情况的评估模型袁 进而确定疾 图 1 无人机植保作业过程中常用的光电传感器 Fig 1 Main sensors commonly used in UAV crop protection operations 徐旻等院 智能化无人机植保作业关键技术及研究进展 21 智慧农业 Smart Agriculture Vol 1 No 2 图 2 基于深度学习的作物卫星遥感影像病虫害识别 Fig 2 Crop satellite remote sensing image identification for diseases and pests based on deep learning 病检测的最佳植被指数和图像分布特征遥 Albetis 等 12 利用无人机搭载多光谱传感器袁 对葡萄黄体 病发病的藤蔓进行识别袁 采用单变量和多变量聚 类算法袁 有效识别发病的红葡萄藤袁 通过并剪除 发病藤蔓袁 避免病体扩散遥 在向日葵种植区域杂 草识别中袁 小型无人机可搭载多光谱传感器和相 机袁 快速获取小区内种苗和杂草的图像袁 利用图 像处理技术对各种杂草分布情况进行估计袁 为在 向日葵生长早期进行杂草清除提供依据 13 遥 通过 上述研究发现袁 对多光谱传感器图像的解析袁 可 精准获得作物病害在某些光谱段上的量化特征参 数袁 为作物病害识别提供精准的监测手段遥 2 1 2 基于深度学习的遥感影像处理 农业遥感信息处理主要集中在对获取图像信 息的反演袁 因此袁 基于深度学习的人工智能模式 识别技术也在农业遥感信息处理领域表现出巨大 潜力遥 将传统的随机森林分类算法和基于卷积神 经网络的深度学习方法用于卫星影像处理袁 对比 其结果显示袁 在存在云雾干扰的情况下袁 深度学 习方法对玉米尧 大豆等作物的分类识别能力远高 于传统随机森林方法 14 遥 过去统计树上的果实会 耗费大量的人力袁 但是采用深度学习的图像识别 算法袁 可快速对桔子尧 苹果的产量进行统计袁 同 时通过基于果实形态特征的识别可快速识别出果 实缺陷袁 实现按品质智能分类 15 遥 针对受红脂大 小蠹危害的油松林袁 孙钰等 16 用无人机获取遥感 影像图片袁 训练精简的 SSD300目标检测框架袁 即可直接识别无人机航片袁 无需校正拼接袁 降低 模型的参数数量和运算量袁 加快检测速度遥 基于 深度学习的图像处理颠覆了传统图像聚类方法袁 S1 layer S2 layer OUTPUT layer 深度学习过程 病虫害识别 遥感信息获取 22 Vol 1 No 2 图 3 多传感器组合相对高度测量系统 Fig 3 Relative height measurement system with multiple sensors fusion 将农业遥感技术人员从图像算法研究转向对田间 信息样本的采集和积累袁 最大限度的发挥了农业 信息化过程中遥感大数据样本作用遥 2 2 农田环境的动态感知 农田作业环境是极其复杂的非结构化地表区 域袁 作物本身尧 农田水利设施尧 构筑物交错并 存袁 且经常发生相对位置变化遥 要实现自主对靶 和安全作业袁 需要解决无人机和作物冠层相对位 置尧 以及无人机和田间各种障碍物相对位置的实 时获取的问题遥 应用智能化的光电探测和模式识 别手段获得环境中各种非作业目标的基本尺度特 征尧 类型属性等关键信息袁 对环境中各种对象的 静态特征和动态运动趋势进行在线观测可解决上 述问题袁 因此袁 面向田间作业环境的感知技术已 成为农业无人机自主作业的必要条件 17 遥 基于机 器视觉和多传感器融合的智能模式识别方法袁 为 此类应用需求提供了有效的解决途径遥 在丘陵或 地形起伏区域袁 作物冠层与无人机的相对高度信 息对作业效果和飞行安全至关重要袁 采用新型微 波雷达传感器和气压高度计尧 GNSS尧 惯性测量 单元等多传感器融合方式袁 可以有效地测量无人 机机体相对地面及作物冠层的高度袁 实现仿地跟 踪飞行 18 袁 如图3所示遥 2 2 1 激光雷达对环境信息进行SLAM感知 为了获得更精确的环境信息袁 学者们采用扫 描式激光雷达传感器对环境进行即时定位与地图 构建 渊 Simultaneous localization and mapping袁 SLAM冤袁 利用雷达测距信息生成周围环境的稀疏 点云数据袁 获得障碍物或标记点与机体的相对距 离尧 方向尧 以及物体轮廓特征袁 对相对位置速度 误差进行估计袁 结合惯性测量数据和外部障碍物 或标记点信息作为观测量袁 通过扩展卡尔曼滤波 渊Extended Kalman Filter袁 EKF冤尧 无损卡尔曼滤 波 渊Unscented Kalman Filter袁 UKF冤 等算法袁 消 除累计误差 19 22 遥 在使用雷达等飞行时间 渊Time ofFlight袁 TOF冤 传感器获得距离信息时袁 同步引 入与距离尧 视线角相关的反射信号强度信息袁 对 SALM建模观测方程进行增广袁 可进一步降低 3D 环境中的建模误差 23 遥 为了便于验证各种 SLAM感知算法袁 Gazebo simulator 等 SLAM 开 发仿真环境也开始被应用于农业遥 Habibie等 24 采 用激光雷达和可见光双目视觉的方式袁 开发了果 园SLAM系统袁 系统基于激光雷达对环境中障碍 物和树木进行建模袁 基于可见光视觉系统对果实 位置进行探测袁 并对果实品质进行估计袁 最后在 Gazebo中进行仿真验证袁 仿真结果显示该方法能 有效对果园内的环境进行实时建模袁 为植保作业 提供对靶信息遥 系统工作过程如图4所示遥 图 4 果园SLAM系统激光雷达环境点云成像 Fig 4 SLAM imaging with LIDAR environmental point cloud of the orchard 徐旻等院 智能化无人机植保作业关键技术及研究进展 23 智慧农业 Smart Agriculture Vol 1 No 2 2 2 2 机器视觉空间物体建模 目前运用可见光或双目视觉图像对环境和物 体视觉特征信息进行提取袁 再运用光流场速度算 法及投影变换方法对视场中障碍物的相对位置尧 速度进行最优估计的方式袁 已经取得了很大的发 展袁 并已经具备应用于无人机植保作业的技术条 件遥 通过采用多个传感器的视觉图像对物体进行 空间三维建模和运动状态估计袁 并对稀疏点云数 据加密袁 可精确再现周围三维环境空间的物体分 布坐标信息 25 26 遥 无人机控制系统利用这些环境 状态信息完成自主作业飞行决策袁 可实现在复杂 作业环境中的安全对靶作业遥 3 精准施药过程建模与优化控制 3 1 雾滴沉积运动建模 不同于地面植保机械袁 无人机航空植保作业 时无法深入作物冠层中施药袁 只能通过旋翼风场 裹挟雾滴到达作物病害部位袁 因此无人机植保效 果受旋翼下洗气流尧 环境风场尧 飞行高度尧 作业 速度等多种因素影响 27 遥 要想达到精准变量施药 的目的袁 必须对喷头所在风场和喷头雾化参数之 间的耦合关系展开研究袁 建立雾滴沉积漂移过程 的动力学模型袁 从而实现对雾滴有效沉积区域的 实时预测袁 为控制系统精准施药提供依据遥 3 1 1 雾滴沉积特性研究 国内外针对无人机施药雾滴沉积特性的研究 已经开展了多年袁 目前常用的研究手段为田间布 点试验袁 对试验数据进行定量统计袁 获得样本的 沉积点密度尧 粒径等遥 此种方式可对雾滴沉积效 果进行量化评价袁 并在一定程度上获取雾滴沉积 飘移与飞行高度尧 雾滴粒径大小尧 喷头布局和外 部气象条件之间的影响关系和经验公式 28 29 遥 但 此类试验受到环境条件和现有仪器技术水平的影 响袁 只能对最终沉积结果进行静态观测袁 无法获 得雾滴在喷头和风场作用下的运动过程及沉积穿 透作用机理袁 难以形成通用的模型及结论遥 美国 在1979年就开始基于固定翼有人机尾涡运动模 型及高斯分布方法的建立雾滴飘移预测模型袁 并 研发相关软件AGDISP 30 遥 唐青等 31 32 基于计算流 体动力学 渊Computational Fluid Dynamics袁 CFD冤 模拟获得了固定翼有人机在不同作业条件下的 雾滴沉积飘移模型袁 如图 5 所示遥 高精度格式 CFD模拟旋翼翼尖涡与试验结果对比如图6尧 图 7所示遥 图 5 CFD模拟展示雾滴运动规律 Fig 5 CFD simulation shows the movement law of fog droplets 图 6 高精度格式CFD模拟旋翼翼尖涡 Fig 6 CFD predicted phase averaged vorticity contours along with velocity vectors 24 Vol 1 No 2 3 1 2 复杂流场湍流模型数值求解 无人旋翼植保机的下洗气流结构复杂袁 针对 其雾滴沉积漂移预测的模型已经成为新的研究热 点遥 在数值计算方法研究方面袁 高精度格式瞬态 算法具有较好模拟精度袁 但是主要用于基础的风 场结构研究领域袁 未结合地面作业和雾滴运动模 型曰 而在行业应用主要以定常流平均场模拟为 主袁 注重对实际作业条件及雾滴运动的模拟 33 34 遥 综合目前的研究结果分析袁 针对农用无人机 面临的近地面复杂流场环境袁 要获得较为真实的 涡管三维运动仍需高精度瞬态算法和大量计算周 期袁 难以直接应用袁 而采用基于雷诺平均方法 渊Reynolds Average Navier Stokes袁 RANS冤 湍流 模型数值求解 N S方程袁 通过优化自适应网格 和并行算法袁 可降低计算周期袁 提高系统的实用 性 35 37 遥 在喷雾模型构建方面袁 目前仍以非接触 式测量方法为主袁 通过激光衍射尧 高速粒子图像 测速等手段袁 对特定喷头尧 助剂尧 喷杆结构布 局尧 管路压力等喷施参数下的雾滴粒径及速度的 空间分布进行测量袁 获得无人机施药作业的喷雾 模型遥 基于罗辛 拉姆勒 渊Rosin Rammler冤 分布 模型简化后袁 与无人机风场模型进行耦合袁 求解 离散相雾滴的运动轨迹袁 从而实现雾滴沉积飘移 规律的预测袁 以达到对作业过程中药剂覆盖区域 与飘移特性的估计和规避施药作业风险的目的遥 3 1 3 精准施药控制及先进雾化 无人机施药主要面向小地块区域袁 具有超低 量尧 高精度的特点袁 需要将飞行导航控制信息与 精准变量控制结合起来袁 依据飞行及作业状态信 息的关键参数来实现精准变量喷洒控制袁 主要包 括作业飞行控制技术尧 流量精准检测尧 流量输出 控制尧 喷头雾化控制四方面技术遥 无人机的喷洒 系统管路结构布局紧凑袁 采用传统的涡轮计数式 流量计响应速度慢袁 且需要对管路进行改造袁 不 利于应用袁 而超声非接触式流量传感器精度高响 应快袁 且不影响系统管路袁 将逐步取代现有涡轮 流量计遥 流量控制仍以传统的功率调节控制泵流 量的方式为主袁 目前逐步引入机体姿态尧 位置尧 飞行速度尧 作业相对高度尧 以及环境气象条件等 参数袁 共同完成控制决策袁 获得最佳的施药回收 效果和沉积精度 38 41 遥 随着微机电系统 渊Mi cro Electro Mechanical System袁 MEMS冤 技术的 发展袁 直接对单一喷头的独立控制必将成为未来 研究的重点遥 在雾化技术方面袁 通过实际作业测 试袁 采用电机控制的离心雾化喷头具有雾滴粒径 谱分布窄袁 雾化幅宽大的特点袁 相对于压力喷头 和液力雾化喷头的效果有明显的优势袁 目前已进 入商用阶段 42 44 遥 无人机静电喷头具有雾滴漂移 小袁 附着力高的特点 45 遥 何雄奎等 46 针对航空施 药植保无人机设计了双极性接触式航空机载静电 喷雾系统袁 在轻型油动直升机上对喷施油剂和水 的电荷与雾化效果进行了测试袁 结果表明此类静 电喷头与油剂配合使用袁 可有效提高雾滴沉积分 布均匀性遥 国外学者在喷头技术上也已经开展多 年的研究袁 从通用喷头尧 静电喷头尧 抗漂移喷 头尧 逐步转向精准变量喷头遥 Daggupati 47 将微机 电系统和喷头进行集成设计袁 通过微型电磁阀开 关动作来调解喷口出水量袁 实现变量喷雾作业遥 图 7 翼尖涡试验测试结果 Fig 7 Experimental data of phase averaged vorticity contours along with velocity vectors 徐旻等院 智能化无人机植保作业关键技术及研究进展 25 智慧农业 Smart Agriculture Vol 1 No 2 图 8 无人机全覆盖作业区域规划 Fig 8 Full coverage spraying route planning method of UAV Funseth等 48 采用步进电机驱动流量调节转盘转动 的方式改变流体喷嘴的流体入口尺寸袁 从而实现 变量喷洒遥 MEMS系统技术将控制尧 执行机构进 一步小型化袁 精细化调解喷洒雾滴谱进行抗漂移 和精准变量施药已经成为新的研究趋势遥 3 2 作业路径最优算法 植保无人机载荷和续航能力较弱袁 且作业区 域多为分散的小面积不规则区域袁 如何进行有效 的作业路径优化袁 减少农业无人机作业过程无效 的非作业飞行距离和时间具有重要意义遥 目前国 内外农业无人机作业路径规划主要采用全覆盖算 法袁 即规划路径必须对作业空间实现完全的覆 盖遥 首先采用单元分解方式袁 参考地面作业机具 工作模式袁 将作业区域按种植方向以梯形方式尧 栅格尧 维诺图 渊Voronoi diagram冤 等方式进行分 割袁 在分割区域基础上进行单元分解和数字标 记袁 然后再运用A 尧 动态规划 渊Travelling Sales man Problem袁 TSP冤尧 遗传算法 渊Genetic Algo rithm袁 GA冤 等优化搜索算法袁 最终使转弯尧 往 返加药点等无效作业路径长度最短或作业能耗最 小 49 遥 农业植保无人机作业路径规划方法研究目前 主要围绕单一区域多架次作业和多个非连通区域 作业调度两个方面开展遥 3 2 1 单一区域多架次作业路径规划 在单一区域中袁 由于种植方向约束袁 植保无 人机作业通常采用单一方向规则往复的 野牛耕 法冶袁 当药剂用完时再返回加药点补充药剂继续 作业袁 这种方式作业中袁 地头转弯和多架次往返 加药距离会因为作业规划不同而有很大差异袁 导 致不必要的非作业能耗损失 渊图8尧 图9冤遥 为了 便于将计算智能引入作业路径规划中袁 栅格法被 普遍用于构建作业环境描述模型袁 一方面可对作 业区域进行精细到作业幅宽量级的数值化描述袁 另一方面有利于和GIS系统进行坐标的转化袁 将 平面坐标点阵和大地坐标系映射关联起来遥 在区 域栅格化后袁 根据区域面积尧 形状尧 作业航向方 向尧 底边距离袁 为相应栅格赋予作业概率袁 优先 选择概率高的栅格行进作业袁 同时以往返飞行尧 电池更换尧 药剂装填等非植保作业能耗最小为目 标函数袁 通过采用引力搜索等智能搜索方法袁 实 现对返航点数量与位置的寻优袁 进而优化作业路 径 50 54 遥 3 2 2 多个非联通区域多架次作业路径规划 对于多个非连通区域作业问题 渊图10冤袁 先 对单个作业区域进行局部作业路径规划袁 再将各 区域作业顺序进行编码袁 采用遗传算法进行多个 区域间飞行作业任务优化调度袁 从而最终优化整 个全过程作业路径袁 提高无人机作业效率袁 目前 通过仿真和示范试验已证明此方法的有效性 55 遥 多机协同植保作业路径规划及分配技术可充分发 渊a冤 牛耕法 渊b冤 生成树法 26 Vol 1 No 2 挥植保无人机低成本袁 易于使用的特点遥 Luo等 56 依据无人机动力学特性约束和作业区域杜宾曲 线 渊Dubins冤 距离参数袁 构造基于时间窗和作业 方向的多机作业效益函数袁 利用遗传算法设计多 机协同作业路径规划算法袁 优化路径分配袁 提高 作业效率遥 目前多机协同植保施药作业路径规划 技术研究尚处于起步阶段袁 需要进一步开展依据 无人机作业能力参数和施药覆盖效果的全局作业 路径规划算法的研究遥 4 作业效果综合评估与过程监管 4 1 植保施药效果的综合评价 植保施药的雾滴分布特性重要评价指标包括 回收率和均匀性等袁 其中雾滴的回收率是检验药 液沉积量的直接指标袁 沉降药液的均匀性是反映 作业沉积质量的重要指标 57 遥 传统的雾滴沉积测 量方法利用聚乙烯软管尧 聚乙烯板尧 雾滴采集 卡尧 水敏纸尧 棉线和荧光纸带等采集农药雾滴分 布袁 通过显微镜或图像软件分析雾滴覆盖率和雾 滴密度遥 在药剂中添加示踪剂可估测农药沉积 图 9 单一区域多架次作业路径规划 Fig 9 Route planning for multiple sorties in a single area of UAV 徐旻等院 智能化无人机植保作业关键技术及研究进展 图 10 多个非联通区域无人机作业路径规划 Fig 10 Route planning of UAV operation in multiple unconnected areas 27 智慧农业 Smart Agriculture Vol 1 No 2 量尧 覆盖范围尧 雾滴粒径大小等参数 58 遥 利用无 人机高光谱成像技术获取的叶片区域药液的光谱 信息袁 可用于分析叶片施药后的药效曰 对获取的 药物云团探测区域雾滴分布的红外成像光谱进行 特征分析袁 能够反演药物云团浓度图像袁 并对雾 滴漂移情况进行观测 59 遥 地面药效评估将逐渐从 单纯的作业后效果评价向作业中信息反馈袁 形成 实时作业闭环遥 张瑞瑞等 60 基于电容传感器原理 设计开发了一款分布式雾滴沉积传感器及检测软 件袁 该系统能够监测雾滴从沉积到蒸发随时间变 化的全过程并将数据实时获取尧 回传尧 以及统计 处理袁 具备了实时沉积效果评估的能力遥 新型传 感器和物联网技术的应用丰富了作业效果评估的 技术手段袁 探索并实现大闭环施药作业将成为新 的热点遥 4 2 基于云端数据管理的作业过程监管 植保无人机应用呈爆发态势袁 其作业过程产 生大量的数据和服务信息袁 采用物联网技术袁 可 对无人机作业全过程数据进行采集尧 分析尧 管 理袁 实现对农作物长势尧 病虫害爆发趋势尧 药剂 使用综合效果尧 种植面积变化趋势和区域产量等 信息进行动态预测 61 62 遥 陈立平等通过采用 野机 载终端 网络云服务器冶 的应用模式袁 在无人机 体上加装关键作业状态信息传感器和移动数据通 信模块袁 所采集的作业高度尧 流量和飞行速度等 信息袁 可直接通过公共数据网络上传至数据服务 器袁 再运用多指标约束的架次面积统计方法统计 作业量袁 评估作业质量袁 最终可获得区域总作业 量尧 病虫害类型尧 基本作业效果和药剂使用量估 计等宏观信息遥 5 问题及建议 智能无人机植保是目前精准农业领域热点技 术袁 表现出巨大的发展潜力袁 但还需要在下列方 面开展进一步研究探索院 渊1冤 进一步开展基于遥感尧 地面传感器数据 的多源信息融合智能作业决策方法的研究袁 引入 固态激光雷达等新型复合光电探测技术袁 构建针 对典型病虫害的多源信息样本库袁 加强实时环境 感知和精准对靶技术研究遥 渊2冤 目前的无人机用喷洒器械技术对尚未达 到高穿透性尧 窄雾滴粒径谱的作业要求袁 需要进 一步结合 MEMS技术尧 可控材料技术尧 探索雾 滴形成机理袁 创新喷洒器械结构尧 控制方法袁 形 成精准粒径谱控制装置遥 渊3冤 随着作业经验的积累和智能规划方法的 引入袁 模拟仿真和快速数字推演技术使大部分过 程状态变量在实际作业之前就已经被准确的估计 出来袁 在此基础上可以开展基于虚拟样本的强化 学习算法研究袁 探索障碍物规避和多机协同避碰 的智能植保作业路径规划方法遥 智能化植保无人机植保作业已成为未来精准 农业领域最具有前景的技术袁 必将引起新一轮农 业生产技术变革袁 从而对农业无人机植保技术的 研发尧 应用造成深远的影响遥 1 陈晓明 王程龙 薄瑞 中国农药使用现状及对策建议 J 农药科学与管理 2016 2 4 8 Chen X Wang C Bo R Current situation of Chinese pes ticide application and policy suggestions J Pesticide Sci ence and Administration 2016 2 4 8 2 杨陆强 果霖 朱加繁 等 我国农用无人机发展概况与 展望 J 农机化研究 2017 39 8 6 11 Yang L Guo L Zhu J et al The development situation and prospect of agricultural UAV in China J Journal of Agricultural Mechanization Research 2017 39 8 6 11 3 娄尚易 薛新宇 顾伟 等 农用植保无人机的研究现状 及趋势 J 农机化研究 2017 12 1 6 Lou S Xue X Gu W et al Current status and trends of agricultural plant protection unmanned aerial vehicle J Journal of Agricultural Mechanization Research 2017 12 1 6 28 Vol 1 No 2 4 周志艳 臧英 罗锡文 等 中国农业航空植保产业技术 创新发展战略 J 农业技术与装备 2014 5 19 25 Zhou Z Zang Y Luo X et al Development strategy of technological innovation and innovation of Chinese agri cultural aviation plant protection industry J Agricultural Technology and Equipment 2014 5 19 25 5 尹选春 兰玉彬 文晟 等 日本农业航空技术发展及对 我国的启示 J 华南农业大学学报 2018 39 02 1 8 Yin X Lan Y Wen S et al The development of Japan a gricultural aviation technology and its enlightenment for China J Journal of South China Agricultural University 2008 39 02 1 8 6 Gu K Xing M Ri G Evapotranspiration estimate in mi croscale at Onigi rice terraces using UAV J Research Report of Engineering Research Department of Universi ty of Nagasaki 2018 48 7 高林 杨贵军 于海洋 等 基于无人机高光谱遥感的冬 小麦叶面积指数反演 J 农业工程学报 2016 32 22 113 120 Gao L Yang G Yu H et al Retrieving winter wheat leaf area index based on unmanned aerial vehicle hyperspectral remote sensing J Transactions of the CSAE 2016 32 22 113 120 8 刘建刚 赵春江 杨贵军 等 无人机遥感解析田间作物 表型信息研究进展 J 农业工程学报 2016 32 24 98 106 Liu J Zhao C Yang G et al Review of field based phe notyping by unmanned aerial vehicle remote sensing plat form J Transactions of the CSAE 2016 32 24 98 106 9 Yue J Feng H Yang G et al A comparison of regression techniques for estimation of above ground winter wheat biomass using near surface spectroscopy J Remote Sensing 2018 10 1 66 10 高林 杨贵军 李红军 等 基于无人机数码影像的冬 小麦叶面积指数探测研究 J 中国生态农业学报 2016 24 9 1254 1264 Gao L Yang G Li H et al Winter wheat LAI estimation using unmanned aerial vehicle RGB imaging J Chinese Journal of Eco Agriculture 2016 24 9 1254 1264 11 Patrick A Pelham S Culbreath A et al High throughput phenotyping of tomato spot wilt disease in peanuts using unmanned aerial systems and multispectral imaging J IEEE Instrumentation on the other hand the effectiveness of plant protection operation is strong and it is necessary to spray the pesticides to the specific parts of crops at the prescribed time so as to ensure good pesticide application effect At present UAV plant protection technology mainly refers to the existing mature technology and flight platform in general aviation field to basically fly and spray However the lack of penetrating research and theoretical guidance on environmental perception in farmland operation the movement mechanism of droplets under the rotor airflow and the penetrability of the droplet to different crops canopy lead to low penetration rate of the UAV plant protection operation easy drifting frequent accidents large damage probability and low comprehensive operational efficiency Benefiting from the breakthroughs in artificial intelligence parallel computing technology and intelligent hardware the UAV plant protection technology is developing in the direction of intellectualization systematization and precision The real time perception of the environment under non established conditions intelligent job decision method based on intelligent recognition of crop diseases and pests the control of the toward target pesticide spraying control based on the