陳鵬飛

（中國科學院地理科學與資源研究所/資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100101）

農(nóng)業(yè)是同時受到自然條件與社會經(jīng)濟條件雙重制約的脆弱性產(chǎn)業(yè)，農(nóng)田管理中涉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)每一個環(huán)節(jié)的決策都需要多門類、全方位的信息支撐。長期以來，由于缺乏有效信息支持，農(nóng)民往往向田間施入過多化肥、農(nóng)藥[1]。為了緩解農(nóng)業(yè)資源緊張與環(huán)境壓力巨大之間的矛盾，未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢必將從“粗放”走向“精細”[2]。

遙感技術、地理信息技術、地面?zhèn)鞲衅骷盁o線網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代信息技術的應用，為實現(xiàn)作物長勢精準探測、開展精細化田間管理提供了技術支撐。其中，遙感技術具有大面積同步監(jiān)測的優(yōu)勢，可實現(xiàn)對作物長勢空間分布信息的精準獲取。目前，基于衛(wèi)星、地面基站和載人飛機的遙感探測技術進行作物長勢監(jiān)測、農(nóng)作物種類細分、作物品質/病蟲害監(jiān)測及農(nóng)場管理的研究[3-5]已有很多。但隨著對遙感數(shù)據(jù)需求的急劇增長，目前遙感觀測系統(tǒng)還存在技術和成本上的問題。比如：衛(wèi)星遙感存在重訪周期長、時間分辨率低的缺陷；地面基站遙感獲取的數(shù)據(jù)存在觀測范圍小、工作量大、視野窄等問題[6]；載人飛機遙感存在成本高、一次飛行準備時間長的缺陷。近年來，無人機遙感技術以其機動、靈活、時效性強、容易操作等特點，被逐漸應用于農(nóng)情遙感監(jiān)測中，已成為遙感對地觀測的又一重要應用。此外，無人機攜帶藥箱等機載設備，可代替人對作物開展農(nóng)事活動，以提高工作效率，節(jié)約人力成本。但目前無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用還處于起步階段，有許多問題亟待進一步研究。本文從農(nóng)業(yè)無人機自身的技術特征，以及無人機在作物長勢監(jiān)測、產(chǎn)量估測、病蟲害監(jiān)測、氮素營養(yǎng)診斷和精準田間管理中的應用等方面，系統(tǒng)地分析和總結了其應用現(xiàn)狀，并提出了相應的發(fā)展建議，以期為相關領域的深入研究提供參考。

1 國內(nèi)外無人機技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)用無人機的硬件技術狀況

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的使用目的選擇不同形式的無人機飛行平臺及載荷（對地觀測傳感器、小型農(nóng)機等）。

1.1.1 飛行平臺

按飛行平臺構型，無人機可以分為固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機3類及其相關變種。固定翼無人機是將螺旋槳或者噴氣式發(fā)動機產(chǎn)生的推力作為飛機向前飛行的動力，主要的升力來自機翼與空氣的相對運動，所以其必須要有一定的相對速度才會有升力來飛行。固定翼無人機具有航程遠、飛行速度快、續(xù)航長、飛行高度高等優(yōu)點，但也存在需要滑行跑道、操作相對復雜、不能根據(jù)需要對重點區(qū)域做懸停拍攝等缺點。在農(nóng)業(yè)中，固定翼無人機主要應用于土地確權[7]、糧食估產(chǎn)[8]、作物種類識別[9]等領域。相對于固定翼無人機，多旋翼無人機目前在農(nóng)業(yè)中應用更為廣泛。它主要靠多個旋翼產(chǎn)生的升力讓無人機起飛，具有可垂直起降、空中懸停、操作簡單等優(yōu)點，但也存在飛行速度慢、續(xù)航時間短等缺陷[10]。在農(nóng)業(yè)中，多旋翼無人機的應用領域也已涉及糧食估產(chǎn)[11-12]、作物種類識別[13]、作物長勢監(jiān)測[14]、農(nóng)藥噴施[15]等領域。與多旋翼無人機相比，無人直升機的旋翼更大，飛行穩(wěn)定，抗風性好。在施藥方面，無人直升機可形成單一風場，且向下氣流強勁，可以打透茂密的枝葉，施藥效果較好；另外，它也可用于作物輔助授粉等領域[16]；但無人直升機的價格相對較高。總之，未來可根據(jù)不同飛行任務的特點，合理搭配不同類型無人機，達到低成本、高效作業(yè)的效果。

1.1.2 機載對地觀測傳感器

根據(jù)農(nóng)情監(jiān)測需求，可用于無人機機載對地觀測的傳感器主要包括數(shù)碼相機、多光譜傳感器、熱像儀、高光譜傳感器、激光雷達傳感器等（表1）。其中，數(shù)碼相機和多光譜傳感器由于具有成本低、類型多樣的特點，是目前人們開展基于無人機的農(nóng)情遙感監(jiān)測使用最多的設備。數(shù)碼相機包括日本Canon公司的5D MarkⅡ、日本Nikon公司的D800ED7000、丹麥Phase One公司的P65IQ180等型號[17]的相機，其主要區(qū)別在于成像感應器類型、像幅大小等。多光譜傳感器主要包括法國Parrot公司的Sequoia、美國Tetracam公司的ADC Lite、德國Cubert公司的S128等型號的傳感器。不同傳感器在光譜波段設置、成像方式、空間分辨率、價格等方面存在差異。熱像儀可獲得作物冠層溫度信息，便于監(jiān)測作物蒸騰及旱情；高光譜傳感器能獲取作物冠層更精細的光譜信息，有利于準確獲取作物長勢信息；激光雷達傳感器則能獲取豐富的點云信息，可有效獲取高精度的作物水平和垂直冠層結構參數(shù)。以上3種設備由于價格較高、成像及影像后處理技術較復雜等，它們在農(nóng)情監(jiān)測方面的應用還不多見。常見的無人機機載熱像儀有德國Optris公司的PI400、美國FLIR公司的SC655等；機載激光雷達傳感器有美國Velodyne公司的VLP-16/HDL-32/HDL-6激光雷達掃描儀等。在機載高光譜成像儀方面，按成像方式可分為推掃成像和凝視成像。由于成像模式的限制和無人機飛行過程中容易抖動等影響，采用推掃成像的高光譜成像儀數(shù)據(jù)的幾何校正是難點，需要配合高精度的定位定姿系統(tǒng)（positioning and orientation system,POS），經(jīng)過復雜計算才能獲得比較滿意的影像；而凝視型高光譜成像儀采用畫幅成像方式，可以在無POS系統(tǒng)的條件下完成圖像的幾何校正和拼接，但是由于不同波段成像有時間差，其獲取數(shù)據(jù)處理的難點在于光譜信息的校正[18]。相對而言，目前在無人機上凝視型高光譜成像儀的驗證與應用研究較多，主要有德國Cubert公司的S185，芬蘭Senop公司的RHC?？傮w而言，不同傳感器具有各自的用途和特點，需要根據(jù)實際需求來選配。另外，耦合各類傳感器，實現(xiàn)基于無人機的多載荷觀測、多類型數(shù)據(jù)同步獲取將是未來的重要發(fā)展方向之一。

表1 常見無人機對地觀測傳感器Table 1 Common ground observation sensors of unmanned aerial vehicle(UAV)

1.1.3 機載農(nóng)機設備

無人機搭載農(nóng)機設備進行田間作業(yè)，具有效率高、成本低、對作業(yè)人員傷害小等特點。目前已有的搭載在無人機上的農(nóng)機設備主要有藥箱及其施藥控制系統(tǒng)、肥料箱及其施肥系統(tǒng)、料倉及播種系統(tǒng)等?；跓o人機方面的研究，王大帥等[19]設計了變量施藥控制系統(tǒng)，可根據(jù)飛行參數(shù)自動調整施藥流量，改善已有無人機施藥系統(tǒng)存在的霧滴分布不均勻、重噴、漏噴等問題；MEIVEL等[20]設計了一款基于無人機的施肥和施藥裝置，無人機飛行中的施肥量或施藥量可根據(jù)目標作物的特征進行遠程控制；美國DroneSeed公司研發(fā)了一款高速播種無人機，可利用壓縮空氣將種子射入土壤中；FELISMINA等[21]將播種機與無人機結合設計了基于無人機的作物播種系統(tǒng)。這些研究促進了無人機在施肥、施藥、播種等農(nóng)事活動中的應用，但仍然存在許多不足。在無人機施藥方面，施藥系統(tǒng)的霧化效率、施藥過程的霧滴飄移、飛行速度與藥劑流量精準控制等問題還需深入研究。與施藥系統(tǒng)相同，無人機對液態(tài)肥料的施用同樣存在著霧化效率不高、霧滴發(fā)生飄移、施肥不均勻等問題；在施用固態(tài)肥時，設計普適性施肥系統(tǒng)以滿足不同顆粒大小、質量的肥料撒施的需要，明確不同類型肥料的飄移規(guī)律與撒施均勻性是亟待解決的問題。在無人機播種方面，還面臨著實現(xiàn)精準播種（播種深度、行間距）的一系列問題。

1.2 農(nóng)用無人機的應用領域

1.2.1 作物長勢監(jiān)測

長勢是指作物生長的狀況與趨勢[22]，常用的衡量指標包括葉面積指數(shù)、生物量、株高等。陸國政等[23]利用八旋翼無人機搭載高清數(shù)碼相機監(jiān)測小麥育種小區(qū)，成功反演了各小區(qū)株高等信息；田明璐等[24]利用無人機搭載高光譜傳感器S185獲得了棉花冠層高光譜信息，并基于獲得的數(shù)據(jù)，通過構建光譜指數(shù)，結合偏最小二乘算法成功反演了棉花葉面積指數(shù)；YUE等[25]同樣基于無人機搭載高光譜傳感器S185，利用光譜指數(shù)與偏最小二乘算法結合的方式反演了小麥生物量信息。但在長勢監(jiān)測方面，目前已有的研究多基于無人機觀測數(shù)據(jù)，采用光譜指數(shù)法或偏最小二乘法來開展參數(shù)反演，還缺少對其他方法的研究和應用。

1.2.2 作物產(chǎn)量估測

無人機遙感憑借其較高的空間分辨率和機動、靈活的特征，一方面可以有效獲取作物在關鍵生育期的光譜信息，便于對產(chǎn)量進行有效反演；另一方面可實現(xiàn)對地塊尺度產(chǎn)量的精準估測，較適合小尺度田塊的估產(chǎn)工作。KEFAUVER等[26]利用八旋翼無人機搭載多光譜相機等設備獲取大麥冠層光譜信息，通過計算多種常用光譜指數(shù)，基于逐步多元回歸法建立了大麥產(chǎn)量的估測模型；ZHOU等[11]利用無人機搭載多光譜傳感器和數(shù)碼相機獲取水稻多時相影像數(shù)據(jù)，結合光譜指數(shù)和多元回歸算法建立了基于多時相光譜指數(shù)反演水稻產(chǎn)量的模型；DU等[12]基于無人機搭載傳感器獲取小麥多光譜影像信息，通過計算多種常用光譜指數(shù)并結合逐步多元回歸算法，建立了小麥產(chǎn)量的估測模型。以上研究為基于無人機開展作物產(chǎn)量估測提供了樣例，但相關研究還多停留在試驗階段，建立的模型基本都是經(jīng)驗性的回歸模型，還缺少對無人機遙感估產(chǎn)模型機制的探索和驗證工作。

1.2.3 作物氮素營養(yǎng)診斷

氮素是作物生長、發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，在提高作物光合能力，增加同化產(chǎn)物等方面起著重要作用[27]。對于大多數(shù)土壤而言，當季有效氮含量不能滿足作物生長需要時，需要添加外來氮源，因此，氮肥管理是實現(xiàn)以高產(chǎn)優(yōu)質為目標的作物生產(chǎn)中最為重要的環(huán)節(jié)之一[28]。無人機遙感具有空間分辨率高的特點，能實現(xiàn)田間作物氮素營養(yǎng)狀況精細填圖，對氮肥精準管理具有重要意義。秦占飛等[29]利用八旋翼無人機搭載S185機載成像光譜儀獲取水稻冠層高光譜信息，通過構建新的診斷氮素的光譜指數(shù)反演了水稻葉片全氮含量信息；LIU等[30]基于無人機獲取小麥冠層高光譜影像，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡法建立了反演葉片氮濃度的模型，很好地預測了小麥拔節(jié)期、挑旗期、開花期的葉片氮濃度信息；JAY等[31]利用無人機獲取甜菜冠層光譜影像，基于光譜指數(shù)建立了反演甜菜冠層氮含量的模型。但目前的研究多集中在作物氮素營養(yǎng)指標反演模型構建方面，而在反演作物氮素營養(yǎng)狀況指標信息的基礎上，怎樣判定作物氮素營養(yǎng)虧缺情況，并基于無人機影像生成變量施肥處方圖還有待于進一步研究。

1.2.4 作物病蟲害監(jiān)測

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估計，世界糧食產(chǎn)量常年因病害損失14%，蟲害損失10%[32]。農(nóng)作物病蟲害從小范圍發(fā)生到爆發(fā)或流行受到諸多因素的影響，主要包括氣候特點、作物品種、種植習慣及防治情況等[33-34]。因此，基于無人機遙感機動、靈活的特征，對作物病、蟲情發(fā)生程度及范圍進行及時探測，開展有效防治，對于減少糧食產(chǎn)量損失具有重要意義。DIGENNARO等[35]基于無人機搭載多光譜傳感器獲取葡萄冠層光譜影像，發(fā)現(xiàn)歸一化植被指數(shù)與葉片條紋病癥狀間有很好的相關性，認為可基于此較好地識別葡萄葉片條紋病信息；SUGIURA等[36]利用八旋翼無人機搭載數(shù)碼相機獲取馬鈴薯冠層圖像，研發(fā)圖像自動識別技術以判定馬鈴薯晚疫病的發(fā)生程度，為馬鈴薯晚疫病的快速檢測提供了新的技術手段；HUNT等[37]利用六旋翼無人機搭載多光譜相機獲取了馬鈴薯冠層影像信息，發(fā)現(xiàn)可以基于面向對象的影像分析方法來準確判定馬鈴薯甲蟲危害程度。總體上，目前基于無人機監(jiān)測作物病蟲害信息的研究多集中在影像光譜特征與病蟲害發(fā)生程度間的關系解析方面，今后將其在實際生產(chǎn)中進行推廣應用，還需要考慮將影像信息與氣象、水資源等數(shù)據(jù)結合，針對不同地區(qū)制定不同的無人機病蟲害監(jiān)測飛行計劃與防控應急處置方案。

1.2.5 作物田間管理

將無人機應用于作物田間管理，使其成為“空中拖拉機”，對提高生產(chǎn)效率、減少農(nóng)事活動過程對作物生長的擾動和對操作人員的傷害具有重要意義。如前所述，目前無人機已在播種、施藥、施肥等方面開展了應用研究，尤其是在噴灑藥劑以防治病蟲害方面。基于圖像識別技術和無人機技術，在有效識別裸露地塊的基礎上，王林惠等[38]實現(xiàn)了基于無人機對水稻種植區(qū)的施藥作業(yè)；陳盛德等[39]比較了農(nóng)用無人機航空噴藥方式和人工噴施方式在水稻植株上的施藥效果，結果表明，航空噴施的霧滴沉積效果優(yōu)于人工噴施，其作業(yè)效率約為人工噴施的10倍，且成本低，效益高；FAI?AL等[40]設計了一款基于無人機的噴藥系統(tǒng)，它能夠根據(jù)地面?zhèn)鞲衅鳒y定的環(huán)境參數(shù)，動態(tài)調整無人機飛行過程中的飛行參數(shù)來使得農(nóng)藥噴施更加均勻。但目前無人機在田間作業(yè)中的應用還很不完善，有許多環(huán)節(jié)需要改進，除前面提到的有關機載設備的若干改進方面外，作業(yè)方式也需要從目前的“粗放”管理向“精細”管理轉變。田間病蟲害的發(fā)生程度、養(yǎng)分虧缺程度等并不是均一的，有災情嚴重的地方，也有較輕的地方。因此，需要進一步研究能根據(jù)不同的作物災情空間發(fā)生程度進行變量施肥、施藥的無人機田間管理系統(tǒng)，以達到對災情的精準防治，同時，減輕過量藥劑、肥料對環(huán)境和植株的傷害。

2 發(fā)展展望

總體而言，目前無人機在農(nóng)業(yè)中應用要面臨的問題主要有：飛行穩(wěn)定性與智能化水平不高，平臺個性化不足；機載傳感器成本過高，難以普及應用；無人機作業(yè)下的霧滴、顆粒飄移規(guī)律需要進一步明確，施肥、施藥等機載設備的作業(yè)控制技術存在較大的改進空間；作物長勢監(jiān)測及產(chǎn)量估測以經(jīng)驗模型為主，模型準確性、穩(wěn)定性未得到廣泛驗證。為解決這些問題，促進無人機技術在農(nóng)業(yè)中進一步應用，以下幾方面的研究將是關鍵。

2.1 無人機的個性化與智能化

隨著工業(yè)技術的發(fā)展和人們對民用無人機多方面的技術需求增多，未來無人機的研究必將向著個性化、智能化方向發(fā)展。如：開發(fā)無人機實時、精準定位技術與飛行姿態(tài)精準控制技術以增強無人機的飛行控制精度；開展無人機實時智能避讓技術研究，以應對飛行過程中的突發(fā)障礙物，保護機載設備安全；發(fā)明多載荷協(xié)同觀測及增穩(wěn)云臺以促進無人機多載荷同步觀測；研發(fā)無人機各部件組件化封裝技術，使用戶能根據(jù)自己的資金、性能需求自主搭建無人機工作平臺等。

2.2 機載傳感器的低成本和輕小型化

傳感器是無人機得以推廣應用的基礎設備之一，只有使用適合無人機的遙感傳感器才能獲得高質量的遙感信息[41]。從無人機的載重、續(xù)航時間及無人機遙感的普及應用方面考慮，開發(fā)通用性強、低成本、體積小和質量輕的傳感器是無人機傳感器發(fā)展的重要方向。另外，實現(xiàn)傳感器波段可定制，以滿足不同個體對光譜信息的個性化需求，將是未來市場發(fā)展的趨勢之一。

2.3 機載農(nóng)機設備的智能化

2017年國務院發(fā)布了新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃，將人工智能的發(fā)展提到了國家戰(zhàn)略高度。智能化是新一代無人機機載農(nóng)機設備的基本特征。研發(fā)高效的圖像識別技術、農(nóng)藥和化肥精準控制技術等，實現(xiàn)無人機飛行參數(shù)、藥劑用量等根據(jù)作業(yè)單元特征實時自動調整，能根據(jù)作物長勢空間變異精準、定量地進行施肥、施藥等農(nóng)田管理，是實現(xiàn)無人機農(nóng)田作業(yè)智能化的重要方向。

2.4 無人機多傳感器數(shù)據(jù)融合技術

不同類型傳感器的價格、技術特征及作用各異。開展基于無人機平臺的多載荷協(xié)同觀測及相關數(shù)據(jù)融合處理技術，對于高效反演作物長勢信息、協(xié)助農(nóng)業(yè)精準管理具有重要意義，將是今后基于無人機對地觀測的重要發(fā)展方向。

2.5 不同監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)的融合與應用

基于無人機開展作物長勢監(jiān)測具有機動、靈活、分辨率高、可實現(xiàn)面狀監(jiān)測等優(yōu)勢，但它只是信息獲取的一種手段，在應用中也存在一定的局限性。同其他遙感手段一樣，無人機遙感能夠判定作物生長的好壞，但很難判定影響作物長勢好壞的因素。要判定作物長勢不好由何種原因引起，需要結合地面調查數(shù)據(jù)或傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此，耦合無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)與地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡監(jiān)測數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)作物長勢監(jiān)測定量化和后期精準管理至關重要。另外，相對于衛(wèi)星遙感，無人機在短時間內(nèi)的監(jiān)測面積有限，因此，怎樣結合無人機遙感數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)對作物災情的短期測報也是今后研究的重要方向。

2.6 無人機作業(yè)及數(shù)據(jù)處理分析的標準化

要實現(xiàn)無人機農(nóng)業(yè)應用普及化，在前面提到的傳感器設備及機載農(nóng)機具輕小型化、智能化、低成本化的基礎上，還需要構建基于無人機魯棒性的作物參數(shù)遙感反演模型?？梢愿鶕?jù)精度要求分區(qū)域、分作物生育期構建模型，也可以構建統(tǒng)一模型，但必須具有高精度、可重復等特征。另外，需要根據(jù)作物類型、種植區(qū)域特征等，面向田間管理需求，制定無人機作業(yè)規(guī)程，明確監(jiān)測時間、任務、數(shù)據(jù)處理流程等，形成規(guī)范。

3 小結

無人機作為一種重要的信息獲取手段和田間作業(yè)方式，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用具有其他機械無可替代的優(yōu)勢，是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要輔助手段，尤其適合我國目前農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)狀。雖然目前基于無人機的作物長勢監(jiān)測和田間輔助作業(yè)已取得一定成果，但還存在無人機平臺難以滿足多樣化的用戶需求、機載傳感器成本高、相關農(nóng)機設備智能化不夠、缺少高魯棒性參數(shù)反演模型等問題。建議提高無人機個性化、智能化水平，研發(fā)低成本、輕小型化的機載傳感器，實現(xiàn)機載農(nóng)機設備智能化，開展無人機多傳感器數(shù)據(jù)及無人機平臺數(shù)據(jù)與其他平臺數(shù)據(jù)的融合與應用，建立標準化的無人機作業(yè)制度等。