无人设备在小麦生产中的应用和发展前景

2019-09-10葛君

粮食科技与经济 2019年4期

葛君

[摘要]随着无人机在农业种植领域中的广泛应用，无人机在农业生产中扮演着越来越重要的角色。尽管如此，受诸多因素的影响，无人机在小麦生产领域的应用并不完善。文章在综合分析无人机优势的基础上，论述了无人机在小麦种植方面的现状和不足，并对无人机在小麦生产中的应用前景进行了展望。

[关键词]无人设备;小麦生产;发展前景

中图分类号：S512.1;S252

文献标识码：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20190427

近年来，自然灾害频发，人力资源的使用成本也不断上升，再加上人力检测和管理的不够精准，综合这些因素，在小麦生产中引入无人设备对小麦进行检测和田间管理，对提高我国小麦生产的综合效益，保障我国粮食安全都具有重要意义。

无人设备，以无人机为运动平台，通过搭载不同的功能模块和传感器，来完成小麦生产中不同时期的监测和管理。无人机对天气变化的敏感度低，综合作业性能较优，具有飞行高度较低、机动灵活等优势。小麦相对于二收作物来讲，株高较低、植株密度较大，将无人设备引入小麦生产中具有良好的发展前景。

1无人机的优势

1.1便捷高效

在相同的时间内，无人机播种速度是人工的20倍，是普通播種机械的3倍;施肥效率是人工的10～15倍，是普通施肥机械的5～10倍;喷药效率是人工的20倍。在实际的操作中，除去自然因素和飞机自身的原因，农用无人机的作业效率大大优于人工。

1.2适用性好

在小麦生产中，无人机参与田间作业和管理，不受地形等限制，不论是山地、丘陵，还是坡地，都可以完成预定的作业任务。

1.3对小麦的损伤小

无人机工作是在空中，不论是施肥，还是喷洒农药，其对作物叶面的影响都较小。相较于传统的人工喷洒农药，由于小麦的陇间距较小，人工行走不方便，难免会对小麦的茎叶造成损伤，而无人机完全不接触地面，对小麦带来的唯一不利因素就是风量大。机械在田间作业对小麦的损伤程度更大，相较之下，无人机应用在小麦的生产作业中可以大大减少人为因素对小麦造成的不必要损害。

1.4对操作人员的无害性

无人机喷洒农药时，操作人员只需远远地站在一边进行遥控，不需要时刻跟随无人机作业。虽然现在国家提倡使用低毒高效的农药，但是在使用传统的喷药方式时，由于护具不全等因素，难免会对相关操作人员造成损害，而这一点无人机则可以避免。

1.5政策优势

小麦生长期间需要进行多次的施肥和打药，而现在对农业环境保护的要求越来越严格，虽然国家还没有出台相关的使用标准或规范，但从近年来国家对环境破坏问题的查处力度可以看出，在不久的将来，化肥和农药的使用将会被限制。在国家大力扶植环保产业、倡导可持续发展的背景下，农业生产将不断研发、推广先进的生产管理技术。农用无人机已经得到农业部的批准，并且国家也大力支持发展农业无人化、精细化管理。

2无人机在小麦生产中的应用现状

无人机的快速发展，使其在小麦生产中应用越来越广泛。目前，我国的农用无人机在小麦生产中的应用主要集中在以下四个方面。

2.1施肥和喷药

小麦生长期间最重要的两个环节是施肥和喷药。施肥是为了保证氮磷钾的供应，让小麦能吸收足够的养分;喷药是防虫治病，病虫害对于农作物是毁灭性的破坏。而这两个环节的操作对小麦叶面的损伤也是最大的，在小麦的一生中只有六七片叶子，叶子的数量影响到了小麦的光合作用，进而影响到产量。在小麦的播种期可以搭载一般的撒肥器对土地进行撒播施肥，在追肥期可以搭载遥感传感器和地面的机械连接进行空中遥控。无人机施肥可以精准控制施肥量，结合其他检测数据，合理进行施肥。无人机对小麦进行喷药作业，可以搭载无人机专用喷药器，低空快速飞行，充分利用农药，减少兑水量。

2.2叶面积指数的测定

叶面积指数是植被冠层结构的关键数据，表示单位面积上的单面叶片的总和，快速准确地获得叶面积指数，能够准确判断小麦的生长趋势和健康状况。在叶面积指数的无人监控中，主要利用无人机搭载高光谱遥感影像设备对小麦的生长进行监测，得到一定周期内的叶面积指数变化情况，将这一段时间内的叶面积指数变化的情况进行汇总和制图，根据得到的结果来观察小麦的生长情况。例如，小麦的叶面积指数低，说明小麦的黄叶多，这可能与小麦在冬季受冻害的影响较大有关;小麦的叶面积指数高，说明小麦绿叶多，证明小麦的长势良好或者返青的状况良好。

2.3冻害警示和分析

我国北方冬季气温偏低，春季气温偏高，近2年受厄尔尼诺现象影响，在冬春交替的时候，由于温度的剧烈变化，小麦在生长选择时发生错误指令，进而受倒春寒现象的影响程度加重。2018年小麦返青时期，出现了严重的倒春寒现象，致使大片的小麦在育穗的关键时期受到了冻害的影响，导致大面积的小麦不抽穗，严重影响我国的夏粮产量。鉴于这种现象，采用无人机进行田间巡逻，并绘制夜间和白天的温度曲线，准确反映出昼夜的温差。并且，在夜间巡逻期间监测田间的最低气温，若气温出现异常则快速向后台反馈，由后台进行分析，制定出有效的防范措施，将损失降至最低。

2.4病虫害的防治

受多种因素的影响，当病虫害出现在小麦中时，农民可能无法立即发觉，或者发觉后因不了解具体受灾面积，无法采取及时、有效的防治揩施。利用无人机可以搭载功能模块的功能，在无人机上安装红外温度测定仪和颜色识别仪，对小麦进行监控，红外摄像功能可以发现虫害，并计算出受灾面积。小麦在抽穗期容易受到蚜虫的侵害，对无人机设置红外光谱的分析温度报警系统，首先输人在有虫害时采集的温控数据，然后根据红外光谱实时采集的数据与之对照，第一时间发现虫害，快速反馈到控制室，及时进行防治工作。小麦的赤霉病和锈病也是影响其产量的一大因素，在病害监控方面，需重点监测，一旦发现，及时通知后台采取防治措施1

2.5计算小麦倒伏面积

小麦倒伏现象一直都是令农民头疼的问题，由于风力的作用，在大田间，遮挡物少，风可以肆无忌惮的略过。空气温度的差值，使风向发生沿轴线的偏转，形成旋风，导致小麦倒伏。无人机可以用于小麦倒伏面积的计算，通过无人机对地块的巡逻，绘制出地块的平面图，根据反光量的不同识别出小麦倒伏的地点，并对其进行边界区分，计算面积。

3无人设备的不足

3.1初期设备投资大

由于市场的稀缺性、制造难度高和科技含量高等因素，无人机的价格一直居高不下。农业无人机，根据功能的不同售价也不同，一般售价为5万～40万元，并且每台无人机至少需要有一名操作员，无人机工作时还需要相关的保障和现场操作人员。根据实际的应用情况，其一般为大批量的土地拥有者提供服务，实际的抽成为7.5～15元/hm'，散户的费用是225元/hm'，工作效率为4hm？/h，可工作周期为180d，工作时间为12h/d，计算得到无人机操作员的劳务费为6.5万～13万元，团队一般由3人组成，另外2人劳务费用为操作员的1/2。综合计算1台无人机1年的劳务费用为13万～26万元。由于目前我国的农村土地生产责任制的继续实施，土地分散化，使工作成本更高。

3.2续航能力和通讯受限

目前高效的电池尚未开发出来，无人机大多使用锂电池，锂电池虽然电量密度大，但是无人机是连续化作业，一般无人机电池为16A.h，巡航速度为4～5m/s，续航时间为20～30min。这在实际的生产中往往需要配备多组电池，1块16A.h锂电池价格为1450～1600元，单体充满时间为40～60min，1天工作10h，1台无人机最少要配备4组，电池，也就是说电池的费用在6000元左右。这无疑又增加^了许多成本13-14，

通讯距离的不足，限制了无人机远程操作的实现。根据通讯模块的不同，最远后台能联系到无人机的距离为7km。通讯距离的限制，也制约了无人机的应用。

4发展前景

目前，无人机主要面临着造价高和续航能力差的问题，但是随着技术的进步，这些问题会得到解决。随着科技的发展，无人机会有着怎样的发展，以及如何将无人机更好地应用在小麦生产中是研究人员需要考虑的重要问题。

4.1无人设备的智能化发展

目前全球都在研发新的AI智能系统，其应用在无人机方面，可让无人机操作更简单，工作人员只需要经过简单的培训就可以顺利操作无人机。AI智能无人机可以模仿更多的人类操作技能，只需要将编写好的程序，写人到无人机携带的工作模块中，就可以对无人机进行任意的操作。AI智能可以优化无人机在图像处理方面的不足，增加无人机图像的分辨率，在小麦生产监测中能发挥更大的作用。

4.2精细化农业的发展

精细化农业管理就是降低劳动生产成本，增加收益，保护环境，保护土地的可再生能力和土地的肥力。利用无人机搭载的红外成像儀可以准确地识别小麦中生病的植株，然后由无人机迅速地反馈给控制中心，控制中心得到更加细致的现场信息后，及时做出处理判断。对小麦营养元素缺失的判断，不仅需要判断常量元素，还需要对微量元素的判断进行监控，以保证小麦的产量。

4.3无人机和农机的结合

未来的无人机将和大型的地面机械化设备结合，形成空、地配合，进行立体的田间管理操作。将地面的机械和无人机形成田间作业网络，无人机在空中对机械前方的数据进行采集和分析，通过网络将数据传回到机械的操作品台上的电脑中，地面机械执行操作指令完成对小麦的田间作业。

4.4建立飞行数据库

目前，由于各无人机相互独立，因此，资源的利用率较低。基于无人机机动、灵活的特点，再加上现在小麦生产中的应用情况，应将每次作业的数据进行保留，然后上传到飞机飞行作业数据库中。并且将无人机和其他遥感手段进行结合，综合田间传感器监测到的数据，对小麦的生长进行准确的判断和定量的监测，其对小麦的后期管理有着重要的影响。

5结论

尽管在现在的小麦生产中已经运用了无人机技术，但由于无人机的投人成本太大，加之我国农村地块面积小等原因，无人机在小麦生产中还没有得到大范围的应用，仅在一些大的土地承包者的小麦生产中有着较多的应用。在未来，我国的耕地种植情况由于无人机的应用会出现田地的大块化，那时无人机的应用会达到一个新高度。伴随我国环保的提倡和绿色农业的发展，无人机在小麦病虫害和生长中的监测会更加规范、完整。无人机的技术也将日臻成熟，各种功能的无人机将会被研制和应用，相信在不久的将来科技农业会得到长足发展。

参考文南

[1]陈鹏飞。无人机在农业中的应用现状与展望[J].浙江大学学报，2018（4）：399-406.

[2]潘海珠，陈仲新。无人机高光谱遥感数据在冬小麦叶面积指数反演中的应用[J].中国农业资源与区划，2018（3）：32-37.

[3]雷添杰，宫阿都，李长春，等。无人机遥感系统在低温雨雪冰冻灾害监测中的应用[J].安徽农业科学，2011（4）：2417-2419.

[4]亓文哲，孟臻.我国植保无人机应用现状[J].农药，2018（4）：247-254.

[5]史莉娟。启航大田智慧农业：稻谷全产业链大数据平台[J].粮食科技与经济，2019（1）：12.

[6]孔令亮，陆金晶。农业植保无人机发展现状浅析[J].江苏农机化，2018（5）：43-45.

[7]林羽，刘斌琼。论无人机在农业喷药领域的应用[J].农业开发与装备，2018（9）：56+59.

[8]王金星，王震，张菡，等。低量低空小型植保无人机变量喷药参数优化试验[J].江苏农业科学，2018（17）：215-219.

[9]巩春源，冯国新。农业植保无人机产业发展关键问题探讨[J].农业开发与装备，2016（12）：78-79.

[10]王锋.人机航空植保为现代农业护航[J].山东农机化，2015（5）：49.[11]刘振，江秋生，无人机在农作物病虫害快速诊断上的应用[J].农业装备与车辆工程，2019（2）：118-120.

[12]李广，张立元，宋朝阳，等。小麦倒伏信息无人机多时相遥感提取方法[0农业机械学报，2019（4）：211-220.