基于无人机应用的智慧农场构建探索.pdf

江苏农 机化 202 0 4 捆 系 统 设 计 J 中 国 农 机 化 学 报 2018 39 07 11 15 2 马 洪 顺 张 忠 君 曹 龙 奎 薇 菜 类 蔬 菜 生 物 力 学 性 质 试 验 研 究 J 农 业 工 程 学 报 2004 05 74 77 3 王 德 宇 王 建 东 樊 玮 虹 基 于 单 片 机 PSD3234 A 的 舵 机 控 制 系 统 J 微 处 理 机 2006 05 126 128 4 关 富 鸿 D 90 捆 扎 机 双 轮 送 带 机 构 改 进 措 施 J 民 营 科 技 2008 07 10 5 杨 妙 曹 巨 江 李 志 明 环 保 型 捆 扎 机 送 胶 烫 合 机 构 的 设 计 J 包 装 工 程 2010 31 01 65 67 6 蔡 明 伟 刘 磊 光 电 传 感 器 在 自 动 控 制 中 的 应 用 J 机 电 信 息 2019 17 56 57 基 金 项 目 国 家 级 大 学 生 创 新 创 业 训 练 项 目 资 助 201910307083 Z 作 者 单 位 南 京 农 业 大 学 工 学 院 收 稿 日 期 2020 05 19 摘 要 智 慧 农 业 是 现 代 农 业 的 发 展 方 向 无 人 机 在 现 代 农 业 中 的 广 泛 应 用 尤 其 是 各 类 传 感 器 和 专 业 影 像 设 备 的 快 速 发 展 为 智 慧 农 业 发 展 提 供 了 载 体 和 平 台 文 章 从 智 慧 农 场 系 统 框 架 构 建 场 景 模 拟 实 现 方 式 3 个 方 面 进 行 了 无 人 机 应 用 研 究 与 探 索 关 键 词 无 人 机 智 慧 农 场 研 究 与 探 索 农 业 发 展 经 历 了 由 传 统 农 业 到 机 械 化 农 业 再 到 精 准 化 农 业 的 一 个 演 变 过 程 智 慧 农 业 依 靠 现 代 信 息 技 术 运 用 物 联 网 大 数 据 云 计 算 手 段 可 对 农 业 生 产 进 行 精 准 化 种 植 管 理 自 动 化 调 节 智 能 化 决 策 农 用 无 人 机 航 测 无 人 机 多 光 谱 无 人 机 以 及 相 应 的 管 理 平 台 在 农 业 生 产 中 的 应 用 为 以 智 能 农 机 为 代 表 的 无 人 农 场 插 上 了 智 慧 的 翅 膀 1 无 人 机 在 农 业 生 产 中 应 用 现 状 1 1 无 人 机 概 述 无 人 驾 驶 飞 机 简 称 无 人 机 UAV 是 利 用 无 线 电 遥 控 设 备 和 程 序 控 制 装 置 操 纵 的 不 载 人 飞 行 器 无 人 机 按 外 形 结 构 不 同 可 分 为 固 定 翼 无 人 机 和 多 旋 翼 无 人 机 2 种 类 型 固 定 翼 无 人 机 是 将 螺 旋 桨 或 者 喷 气 式 发 动 机 产 生 的 推 力 作 为 飞 机 向 前 飞 行 的 动 力 主 要 的 升 力 来 自 机 翼 与 空 气 的 相 对 运 动 对 场 地 操 作 人 员 等 有 较 高 的 要 求 多 旋 翼 无 人 机 主 要 靠 多 个 旋 翼 产 生 的 升 力 让 无 人 机 起 飞 具 有 可 垂 直 起 降 空 中 悬 停 操 作 简 单 对 场 地 要 求 低 等 优 点 已 成 为 无 人 机 市 场 主 流 产 品 1 2 农 用 无 人 机 目 前 市 面 上 的 无 人 机 大 致 可 分 为 消 费 级 和 工 业 级 2 种 类 型 应 用 范 围 已 普 及 到 影 视 航 拍 农 林 渔 业 电 力 巡 检 地 理 测 绘 等 多 个 领 域 农 用 无 人 机 是 民 用 领 域 无 人 机 的 一 个 重 要 组 成 部 分 随 着 遥 感 技 术 地 理 信 息 技 术 地 面 传 感 技 术 及 物 联 网 技 术 的 日 趋 成 熟 农 用 无 人 机 逐 步 应 用 于 农 业 产 前 产 中 产 后 各 领 域 1 3 无 人 机 在 现 代 农 业 生 产 中 的 应 用 搭 载 了 各 类 传 感 器 和 作 业 辅 助 设 备 的 无 人 基 于 无 人 机 应 用 的 智 慧 农 场 构 建 探 索 张 文 斌 1 张 龙 全 1 齐 宝 萍 2 智 慧 农 机 20 DOI 10 16271 ki jsnjh 2020 04 007江苏 农机 化 2 020 4 机 可 应 用 于 农 田 航 测 土 壤 分 析 及 墒 情 测 定 作 物 长 势 监 测 农 田 作 物 管 理 以 及 农 业 保 险 勘 察 等 领 域 1 3 1 农 田 航 测 在 无 人 机 上 搭 载 专 业 的 影 像 仪 器 结 合 地 面 控 制 点 测 量 调 绘 和 立 体 测 绘 对 田 块 信 息 气 候 水 文 信 息 和 农 作 物 信 息 采 集 分 析 可 形 成 数 字 农 田 这 是 打 造 智 慧 农 业 的 基 础 1 3 2 土 壤 分 析 及 墒 情 测 定 在 无 人 机 上 挂 载 近 红 外 光 设 备 可 大 面 积 快 速 地 对 农 田 土 壤 进 行 分 析 及 墒 情 测 定 打 破 传 统 土 壤 墒 情 测 定 时 间 短 范 围 小 的 局 限 在 作 物 种 植 前 可 通 过 无 人 机 对 土 壤 墒 情 进 行 监 测 分 析 以 便 于 指 导 农 业 前 期 规 划 在 作 物 生 育 期 内 可 通 过 无 人 机 实 时 探 测 土 壤 墒 情 以 便 于 精 准 灌 溉 1 3 3 作 物 长 势 监 测 在 无 人 机 上 搭 载 高 清 摄 像 机 利 用 多 旋 翼 无 人 机 低 空 飞 行 摄 像 机 可 达 到 厘 米 级 空 间 分 辨 率 的 优 势 对 拍 摄 的 作 物 数 码 影 像 纹 理 颜 色 等 空 间 信 息 特 征 进 行 提 取 分 析 可 进 行 农 作 物 叶 面 积 指 数 计 算 不 同 生 长 周 期 长 势 评 估 农 作 物 识 等 研 究 例 如 大 疆 公 司 的 精 灵 P h a n t o m 4 R T K 内 置 1 英 寸 2 0 0 0 万 像 素 C M O S 传 感 器 用 以 捕 捉 高 清 影 像 集 成 全 新 R T K 模 块 提 供 实 时 厘 米 级 定 位 数 据 配 套 的 地 面 站 软 件 可 轻 松 实 现 对 作 物 长 势 监 测 1 3 4 农 田 作 物 管 理 将 无 人 机 应 用 于 作 物 田 间 管 理 使 其 成 为 空 中 拖 拉 机 对 提 高 生 产 效 率 减 少 农 事 活 动 对 作 物 生 长 的 扰 动 和 对 操 作 人 员 的 伤 害 具 有 重 要 意 义 以 农 业 植 保 机 为 例 用 于 农 林 植 物 保 护 作 业 的 无 人 机 能 搭 载 喷 洒 系 统 贴 着 作 物 冠 层 作 业 可 实 现 超 低 量 精 准 施 药 近 年 来 随 着 土 地 流 转 的 不 断 推 进 农 用 植 保 无 人 机 在 各 地 得 到 了 快 速 发 展 仅 大 疆 农 业 2019 年 植 保 无 人 机 作 业 面 积 就 突 破 了 1 亿 亩 666 67 万 hm 2 1 3 5 农 业 保 险 勘 察 对 于 农 业 保 险 勘 察 来 说 最 难 界 定 的 是 损 失 面 积 无 人 机 具 有 灵 活 机 动 的 快 速 响 应 能 力 高 分 辨 率 图 像 和 高 精 度 定 位 数 据 获 取 能 力 可 高 效 准 确 的 开 展 受 灾 定 损 任 务 2 基 于 无 人 机 应 用 的 智 慧 农 场 构 建 探 索 2 1 智 慧 农 业 智 慧 农 业 可 以 理 解 为 数 字 农 业 精 准 农 业 是 以 现 代 信 息 技 术 为 手 段 运 用 先 进 的 物 联 网 智 能 技 术 以 及 大 数 据 等 技 术 对 农 业 的 生 产 经 营 进 行 智 能 化 管 理 从 而 实 现 农 业 生 产 的 种 植 精 准 化 管 理 可 视 化 决 策 智 能 化 智 慧 农 业 主 要 包 括 智 慧 农 业 生 产 智 慧 农 业 管 理 智 慧 农 业 信 息 服 务 等 2 2 智 慧 农 场 智 慧 农 场 依 靠 现 代 传 感 器 技 术 对 农 业 生 产 的 现 场 数 据 进 行 搜 集 通 过 互 联 网 技 术 与 物 联 网 平 台 对 数 据 进 行 分 析 实 现 农 业 的 智 能 化 生 产 自 动 化 调 节 与 精 准 化 管 理 2 3 基 于 无 人 机 应 用 的 智 慧 农 场 构 建 探 索 2 3 1 智 慧 农 场 系 统 框 架 从 耕 种 管 收 四 大 环 节 入 手 构 建 智 慧 农 场 系 统 框 架 如 图 1 所 示 2 3 2 智 慧 农 场 作 业 场 景 依 靠 卫 星 定 位 系 统 RTK 基 站 高 精 度 地 图 智 能 化 基 础 设 施 农 用 无 人 机 智 能 农 机 智 慧 农 业 云 平 台 构 建 智 慧 农 场 作 业 场 景 如 图 2 所 示 2 3 3 智 慧 农 场 实 现 方 式 智 慧 农 场 三 大 核 心 是 指 农 场 数 字 化 农 机 作 植 保 作 业 监 管 可 变 追 肥 作 物 生 长 监 测 病 虫 害 监 测 杂 草 识 别 出 苗 分 析 空 穴 普 查 产 量 预 估 产 量 实 测 农 田 测 绘 田 间 环 境 监 测 土 壤 分 析 与 墒 情 测 定 平 整 地 分 析 耕 管 收 种 图 1 智 慧 农 场 系 统 框 架 21江苏农 机化 202 0 4 业 监 管 和 精 准 种 植 管 理 平 台 1 农 场 数 字 化 平 台 是 基 于 地 理 信 息 系 统 的 数 字 化 平 台 该 平 台 对 现 代 化 农 场 大 数 据 进 行 融 合 管 理 与 分 析 并 基 于 地 图 数 据 仪 表 盘 等 进 行 农 场 数 据 总 览 辅 助 农 场 管 理 决 策 以 及 指 导 农 场 农 业 生 产 工 作 2 农 机 作 业 监 管 平 台 是 对 农 机 设 备 及 其 作 业 情 况 统 一 监 管 的 平 台 该 平 台 开 放 数 据 接 口 可 接 入 植 保 无 人 机 地 面 农 机 等 的 设 备 及 作 业 数 据 实 时 监 控 设 备 位 置 在 线 状 态 作 业 路 径 作 业 参 数 等 数 据 3 精 准 种 植 管 理 平 台 可 在 耕 种 管 收 全 周 期 各 环 节 对 土 地 作 物 农 事 进 行 精 准 记 录 监 测 和 决 策 智 慧 农 场 实 现 方 式 如 图 3 所 示 3 结 语 无 人 机 在 现 代 农 业 生 产 中 的 广 泛 应 用 为 智 慧 农 场 建 设 提 供 了 可 能 但 无 人 机 在 数 字 农 田 构 建 遥 感 田 间 作 物 管 理 等 领 域 中 的 应 用 还 处 卫 星 定 位 系 统 智 慧 农 业 云 平 台 RTK 基 站 农 用 无 人 机 智 能 农 机 高 精 度 地 图 田 间 感 知 监 测 智 能 终 端 图 2 智 慧 农 场 作 业 场 景 智 慧 农 场 实 现 方 式 农 机 作 业 监 管 数 字 化 农 场 构 建 精 准 种 植 管 理 基 础 地 理 信 息 数 字 化 环 境 田 块 信 息 数 字 化 农 机 设 备 及 其 作 业 情 况 统 一 监 管 农 事 规 划 记 录 作 物 状 态 记 录 智 能 感 知 决 策 高 清 影 像 高 清 地 图 矢 量 图 层 环 境 信 息 数 字 化 田 块 信 息 数 字 化 开 放 数 据 接 口 接 入 农 业 无 人 机 地 面 农 机 设 备 及 作 业 数 据 实 时 监 控 作 业 设 备 位 置 在 线 状 态 作 业 路 径 参 数 等 全 周 期 农 事 活 动 记 录 实 现 可 追 踪 可 回 溯 可 分 析 田 间 作 物 监 测 精 准 记 录 全 面 掌 握 作 物 生 长 状 态 平 整 地 分 析 出 苗 分 析 植 保 指 数 分 析 变 量 施 肥 精 准 植 保 图 3 智 慧 农 场 实 现 方 式 22江苏 农机 化 2 020 4 摘 要 智 慧 农 业 是 新 一 轮 农 业 技 术 革 命 的 热 点 它 的 跨 领 域 发 展 对 城 镇 化 发 展 农 产 品 供 应 流 通 产 业 等 都 产 生 了 深 层 次 的 影 响 并 将 直 接 影 响 农 业 与 自 然 生 态 系 统 的 关 系 文 章 分 析 了 现 阶 段 智 慧 农 业 的 主 要 技 术 特 征 并 结 合 我 国 现 代 农 业 园 区 发 展 现 状 就 园 区 建 设 助 力 智 慧 农 业 发 展 提 出 思 考 关 键 词 智 慧 农 业 农 业 技 术 革 命 现 代 农 业 示 范 园 0 引 言 智 慧 农 业 是 新 一 轮 农 业 技 术 革 命 的 热 点 它 的 跨 领 域 发 展 对 城 镇 化 发 展 农 产 品 供 应 链 和 流 通 产 业 链 等 都 产 生 了 深 层 次 的 影 响 并 将 直 接 改 变 农 业 与 自 然 生 态 系 统 的 关 系 1 现 阶 段 我 国 智 慧 农 业 发 展 尚 处 在 学 习 积 累 阶 段 主 要 是 以 移 动 互 联 网 为 载 体 通 过 物 联 网 实 现 大 数 据 采 集 形 成 一 定 量 的 可 分 析 数 据 再 通 过 云 计 算 动 作 及 图 象 识 别 技 术 传 感 器 感 知 技 术 处 理 在 计 算 模 型 中 形 成 可 供 选 择 的 的 决 策 信 息 物 联 网 技 术 主 要 应 用 于 两 个 方 面 一 方 面 通 过 物 联 网 自 动 控 制 远 程 设 备 参 与 农 业 生 产 降 低 农 业 生 产 劳 动 强 度 另 一 方 面 通 过 物 联 网 采 集 农 业 生 产 过 程 中 的 环 境 变 量 和 作 物 生 长 变 量 信 息 找 到 最 有 利 于 作 物 生 长 的 参 数 将 农 业 生 产 中 的 农 艺 农 技 经 验 逐 步 积 累 转 化 成 数 字 化 经 验 以 信 息 化 决 策 建 议 的 形 式 提 供 给 决 策 者 1 现 阶 段 智 慧 农 业 的 主 要 技 术 特 征 1 1 农 业 生 产 数 据 化 远 程 化 应 用 传 感 技 术 可 实 时 掌 握 农 作 物 生 产 环 境 及 要 素 的 变 化 情 况 借 助 远 程 控 制 等 物 联 网 技 术 可 实 现 对 作 物 生 长 环 境 要 素 的 自 动 化 高 精 度 控 制 提 高 环 境 管 控 时 效 降 低 劳 动 强 度 从 而 实 现 稳 产 提 质 节 本 增 效 的 目 的 1 2 农 技 农 艺 数 据 化 菜 单 化 充 分 利 用 图 像 识 别 技 术 结 合 农 技 农 艺 干 预 对 作 物 生 长 进 行 变 量 分 析 逐 步 形 成 作 物 栽 培 的 决 策 菜 单 1 3 服 务 全 天 候 个 性 化 通 过 窄 带 技 术 实 现 传 感 器 设 备 的 多 类 型 全 天 候 的 数 据 记 录 通 过 宽 带 技 术 5 G 技 术 实 现 作 物 表 情 的 实 时 记 录 通 过 云 计 算 平 台 和 数 据 模 型 实 现 对 作 物 生 长 数 据 的 实 时 分 析 通 过 远 程 控 制 手 段 第 一 时 间 对 作 物 生 长 进 行 有 益 干 预 实 现 服 务 的 全 天 候 1 4 农 业 生 产 信 息 化 安 全 化 借 助 视 屏 监 控 及 传 感 器 技 术 通 过 视 屏 图 像 的 动 作 捕 捉 及 分 析 可 以 确 保 合 理 施 肥 及 安 全 用 药 借 助 二 维 码 射 频 技 术 区 块 链 编 码 技 术 按 照 生 产 需 求 全 程 记 录 作 业 信 息 加 之 物 联 网 技 术 在 加 工 储 运 过 程 中 的 全 面 应 用 可 真 正 实 现 农 业 生 产 信 息 化 安 全 化 以 园 区 建 设 助 力 智 慧 农 业 发 展 的 思 考 李 海 涛 陈 骏 于 起 步 阶 段 不 能 满 足 用 户 多 样 化 需 求 还 存 在 机 载 传 感 器 成 本 较 高 续 航 和 承 载 能 力 弱 遥 感 图 像 质 量 不 稳 定 遥 感 分 析 数 据 库 响 应 及 对 复 杂 农 田 环 境 适 应 性 差 等 问 题 建 议 加 快 小 型 低 成 本 机 载 传 感 器 研 发 步 伐 实 现 机 载 农 机 设 备 通 用 化 智 能 化 提 高 无 人 机 续 航 能 力 和 承 载 能 力 并 将 大 数 据 人 工 智 能 技 术 应 用 于 农 业 遥 感 领 域 作 者 单 位 1 苏 州 市 农 业 机 械 技 术 推 广 站 2 苏 州 嗨 森 无 人 机 技 术 有 限 公 司 收 稿 日 期 2020 05 13 23