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0引言

無(wú)人機(jī)(UAV)，是指利用遙感設(shè)備及程序控制裝置運(yùn)行的不載人飛機(jī)，按照應(yīng)用領(lǐng)域可以劃分為軍用無(wú)人機(jī)及民用無(wú)人機(jī)，其中，民用無(wú)人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)保護(hù)、災(zāi)難救援、監(jiān)測(cè)及救災(zāi)等方面具有重要的作用，可以適用于復(fù)雜的工作環(huán)境及執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)［1］。無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用起步較早，最初是進(jìn)行大面積農(nóng)田及森林的航空植保，隨著后期無(wú)人機(jī)技術(shù)的逐步發(fā)展，目前在農(nóng)業(yè)安全、作物產(chǎn)量評(píng)估、病蟲害預(yù)警等方面發(fā)揮出不可替代的優(yōu)勢(shì)［2－3］。本研究首先對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行論述，明確無(wú)人機(jī)技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要應(yīng)用范圍及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，針對(duì)目前農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)存在的主要問(wèn)題及限制條件進(jìn)行分析，提出未來(lái)我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1國(guó)內(nèi)外農(nóng)用無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國(guó)外農(nóng)用無(wú)人機(jī)發(fā)展情況

國(guó)外科學(xué)技術(shù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為先進(jìn)，在無(wú)人機(jī)研究方面起步較早。其中，以德國(guó)研究起步最早，德國(guó)在20世紀(jì)開(kāi)始使用飛機(jī)進(jìn)行大面積林木的病蟲害防治藥劑的噴灑，并且采用飛機(jī)噴灑具有良好的防治效果［4］，之后，德國(guó)就一直使用飛機(jī)進(jìn)行作物的病蟲害防治。在同一時(shí)期，美國(guó)及俄羅斯也開(kāi)始使用飛機(jī)進(jìn)行病蟲害的防治及研究，由于俄羅斯及美國(guó)農(nóng)業(yè)多為大型農(nóng)場(chǎng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積較為集中，因此采用飛機(jī)進(jìn)行植保可以取得良好的作業(yè)效果，并逐步研制小型無(wú)人機(jī)植保機(jī)械。日本耕地面積小，人均耕地面積少，主要以水稻種植為主，農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)化程度高，但是地塊面積較小，不適合像美國(guó)、俄羅斯使用大型噴藥機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑與病蟲害防治，在此技術(shù)基礎(chǔ)上，基于日本農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，研發(fā)小型無(wú)人駕駛植保機(jī)械進(jìn)行農(nóng)藥噴灑與病蟲害防治。在20世紀(jì)80年代日本就研制出小型無(wú)人駕駛噴粉機(jī)，一次可以攜帶20kg的農(nóng)藥進(jìn)行航空防治［5］。截至2019年，日本已經(jīng)自主研發(fā)相關(guān)航空質(zhì)保機(jī)械共3120架，利用航空植保進(jìn)行病蟲害防治的農(nóng)田面積超過(guò)167萬(wàn)hm2，一躍成為世界航空植保第一大發(fā)達(dá)國(guó)家。歐洲地區(qū)也快速進(jìn)行相關(guān)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的研制與使用，并且提高無(wú)人機(jī)智能化水平，同時(shí)相繼成立多家航空植保機(jī)械企業(yè)。目前，全球無(wú)人機(jī)生產(chǎn)制造商在市場(chǎng)上的占比份額如圖1所示。但是21世紀(jì)以來(lái)，隨著歐洲部分國(guó)家對(duì)農(nóng)藥使用政策的頒布，為了減少航空領(lǐng)域的生態(tài)環(huán)境污染，逐漸減少了對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的使用。

1.2我國(guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)航空植保技術(shù)起步研究時(shí)間較晚，1995年，我國(guó)首次從日本引入航空植保機(jī)械進(jìn)行蝗蟲防治工作，主要是以黑龍江與新疆為主，防治目標(biāo)主要是農(nóng)作物及林木的病蟲害防治。在21世紀(jì)初，我國(guó)農(nóng)業(yè)部提出明確要求，要加強(qiáng)航空植保機(jī)械的研究與發(fā)展，并對(duì)無(wú)人機(jī)植保機(jī)械的購(gòu)買提供購(gòu)置補(bǔ)貼。截至2021年，我國(guó)無(wú)人機(jī)使用推廣輻射面積超過(guò)0.75億hm2，農(nóng)用無(wú)人機(jī)價(jià)格逐漸下降，租賃價(jià)格也在降低，提高了農(nóng)用無(wú)人機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用范圍。目前，我國(guó)各個(gè)地區(qū)都開(kāi)始廣泛使用航空植保進(jìn)行病蟲害防治、農(nóng)業(yè)預(yù)警、作物產(chǎn)量評(píng)估及農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

2農(nóng)用無(wú)人機(jī)的主要應(yīng)用范圍

2.1航空植保

植保技術(shù)包括人工植保和植保機(jī)械。人工進(jìn)行植保主要是依靠人工通過(guò)一定的噴灑機(jī)械在田間進(jìn)行行走噴灑。植保機(jī)械主要分為田間植保機(jī)械與航空植保。田間植保機(jī)械分為自走式與背負(fù)式，工作效率低，尤其是在高大的農(nóng)作物或者林木植保中，無(wú)法進(jìn)行有效噴施。隨著無(wú)人機(jī)的逐漸發(fā)展，航空植保開(kāi)始逐漸應(yīng)用。航空植保是指利用無(wú)人機(jī)攜帶相關(guān)藥劑進(jìn)行大面積病蟲害防治與除草，可以用于大面積農(nóng)作物種植，實(shí)現(xiàn)噴藥、噴粉機(jī)超微量配藥作業(yè)，具有防治效果好、工作效率高、使用成本低等優(yōu)勢(shì)。目前，無(wú)人機(jī)植保行業(yè)迅速發(fā)展，截至2021年銷售量可達(dá)7.2萬(wàn)臺(tái)，使用人次超過(guò)11萬(wàn)次，累計(jì)作業(yè)面積超過(guò)0.8億hm2。但是在農(nóng)藥噴灑過(guò)程中，由于無(wú)人機(jī)噴灑的霧滴較高，容易受到降雨、風(fēng)速、大氣壓力等環(huán)境因素的影響，因此，會(huì)使農(nóng)藥?kù)F滴產(chǎn)生偏移，降低了農(nóng)藥使用效率及病蟲害防止效果。針對(duì)以上問(wèn)題，我國(guó)相關(guān)學(xué)者在2020年首次提出了“無(wú)人機(jī)噴藥接觸角”的概念，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)噴藥時(shí)的降準(zhǔn)分析與定位，減少農(nóng)藥損失與農(nóng)藥?kù)F滴偏移，目前該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

2.2作物產(chǎn)量評(píng)估

對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行合理預(yù)測(cè)對(duì)于保障我國(guó)糧食安全具有重要意義。目前，使用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)應(yīng)用較為廣泛。首先，通過(guò)無(wú)人機(jī)與高速攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等獲取作物航拍圖像，采用高光譜相繼對(duì)作物冠層(如葉面積指數(shù)、生物量)、長(zhǎng)勢(shì)、土壤、氣候等進(jìn)行拍攝分析，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如BP(BackPropagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估結(jié)果對(duì)于作物生產(chǎn)的整體管理措施調(diào)整及決策具有重要的指導(dǎo)意義。

2.3農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)的逐步擴(kuò)大，生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，因此，環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染治理工作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)穩(wěn)定的重要條件。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在農(nóng)田環(huán)境檢測(cè)等方面起到了重要作用。對(duì)于農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)及測(cè)繪具有任務(wù)量重、工作效率低等問(wèn)題，面積較大也給人工測(cè)繪帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。采用無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域進(jìn)行遙感影像的獲取，可以提供農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境全面高效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而可以使研究人員掌握不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域的土壤、水質(zhì)及氣候條件，掌握不同生態(tài)區(qū)域的污染程度，同時(shí)結(jié)合遙感技術(shù)、光譜分析儀、通訊技術(shù)及GPS定位技術(shù)可以智能化、自動(dòng)化、高效、快速地獲取不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地貌，對(duì)于農(nóng)業(yè)合理布局及環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義。

3發(fā)展趨勢(shì)

3.1傳感器融合技術(shù)

傳統(tǒng)的單一傳感器無(wú)法滿足復(fù)雜的工作環(huán)境，因此在無(wú)人機(jī)的使用過(guò)程中，必須采用多種傳感器共同作用進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量與處理，工作原理如圖2所示。多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的處理方式可以在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，提高無(wú)人機(jī)跟蹤、識(shí)別功能，在觀測(cè)領(lǐng)域上覆蓋范圍更加廣泛，多種傳感器融合使用過(guò)程中，可以降低單一傳感器在測(cè)量過(guò)程中所造成的的誤差，提高穩(wěn)定性與精確度。我國(guó)對(duì)于多種傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究起步較晚，目前主要應(yīng)用于各種先進(jìn)的導(dǎo)彈、衛(wèi)星及大型無(wú)人機(jī)載體等，關(guān)于多傳感器無(wú)人機(jī)控制算法類型如表1所示。未來(lái)在進(jìn)行農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)研制及自動(dòng)控制等方面應(yīng)該使用多種傳感器對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行控制，使無(wú)人機(jī)在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中可以獲取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，提高系統(tǒng)的控制精度，保證無(wú)人機(jī)在使用過(guò)程中具有較高的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

3.2無(wú)人機(jī)視覺(jué)應(yīng)用技術(shù)

無(wú)人機(jī)視覺(jué)技術(shù)可以賦予無(wú)人機(jī)一定的觀察力，無(wú)人機(jī)由傳統(tǒng)的大面積植保逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有視覺(jué)感知及自動(dòng)識(shí)別功能的機(jī)器。目前，一些國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)對(duì)無(wú)人機(jī)安裝激光雷達(dá)、多角度攝像機(jī)、超聲波傳感器等，借助無(wú)人機(jī)在航拍過(guò)程中獲取周邊環(huán)境圖像，與人工智能控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。例如，大面積病蟲害的預(yù)警與識(shí)別，常見(jiàn)的稻飛虱、稻縱卷葉螟、稻瘟病等都可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行判別與預(yù)警，進(jìn)而利用無(wú)人機(jī)植保技術(shù)進(jìn)行特定地區(qū)的病蟲害防治，高效、及時(shí)地控制病蟲害的發(fā)生與蔓延。3.3培養(yǎng)專業(yè)無(wú)人機(jī)操作技術(shù)人員目前，農(nóng)用無(wú)人機(jī)專業(yè)操作人員專業(yè)知識(shí)及相關(guān)操作技術(shù)不完善，對(duì)于作業(yè)效率與人員安全會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此，應(yīng)該加強(qiáng)無(wú)人機(jī)專業(yè)操作人員的技術(shù)培訓(xùn)，在保證農(nóng)田作業(yè)質(zhì)量的同時(shí)，提高工作效率，降低由于操作失誤造成的經(jīng)濟(jì)損失及人員安全問(wèn)題。

3.4加強(qiáng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的保養(yǎng)與維修技術(shù)

農(nóng)用無(wú)人機(jī)屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分，應(yīng)該按照農(nóng)業(yè)機(jī)械定期保養(yǎng)與維護(hù)技術(shù)進(jìn)行檢查。在無(wú)人機(jī)使用結(jié)束后，對(duì)各個(gè)關(guān)鍵零部件進(jìn)行檢查，檢查是否有連接件產(chǎn)生松動(dòng)，檢查是否有零件脫落和磨損，對(duì)于磨損和壞掉的零部件進(jìn)行及時(shí)更換。檢查完畢后，將無(wú)人機(jī)存放在遮陽(yáng)避雨的位置進(jìn)行保存并進(jìn)行定期保養(yǎng)，可以延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的使用壽命。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)人工駕駛飛機(jī)相比，可以完成一些復(fù)雜環(huán)境下的航空任務(wù)，在農(nóng)業(yè)植保、監(jiān)控、救災(zāi)等方面發(fā)揮了不可替代的優(yōu)勢(shì)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無(wú)人機(jī)集成高速攝像頭、光譜分析儀及各類傳感器等對(duì)大面積農(nóng)田進(jìn)行掃描評(píng)估，在農(nóng)產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、病蟲害預(yù)警及航空植保等方面具有不可替代的地位，對(duì)于幫助農(nóng)戶提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、降低農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)與損失具有重要意義，未來(lái)無(wú)人機(jī)的發(fā)展還會(huì)在城市規(guī)劃、物流派送、治安巡邏、工程建設(shè)、城市執(zhí)法及管理等方面發(fā)揮重要的意義。

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作者:劉書佳 吳彥睿 王方方 單位:長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)校