摘 要： 无人机作为新型的农业机械在我国农业发展中发挥着重要作用，促进了我国农业的现代化进程。分析了无人机在农业上的应用及其优势，阐述了无人机在现代化节水技术中对土壤水分全面实时精准监测的应用，并就无人机在未来节水农业中的发展趋势进行了探讨，为促进我国精准化节水技术的发展提供理论依据，也为农用无人机的进一步改进与发展奠定基础。
关键词： 无人机； 节水农业； 精准化； 土壤水分
Abstract： Unmanned aerial vehicle （ UAV） ，as a new agricultural machinery，has played an important role in China"s agricul-tural development and it promoted the process of modernization of China"s agriculture. Application on agriculture and advantagesof UAV were analyzed. Application of UAV in modern water saving technology to soil moisture comprehensive real time precisionmonitoring was expounded. Development trend of UAV in future water saving agriculture was discussed. It provided theoreticalbasis for the development of precision technology of water saving in China. And it laid foundation for further improvement and de-velopment of agricultural UAV.
Key words： Unmanned aerial vehicle，Water saving agriculture，Precision，Soil moisture
引言
随着我国农业遥感信息获取技术及农业机械的发展，无人机作为此结合领域中的佼佼者被社会广泛关注。自2010年以来，无人机研发技术在我国逐渐成熟，无人机研发企业及团队如雨后春笋般的增加。无人机在大多农业生产中适应性强、可适应大部分农田环境、无损农田，具有飞行灵巧、速度与高度适中、操作相对简单方便等很多优势，在农业、军事、遥感等许多不同的领域得到了比较宽泛的应用，作为我国精准、高效农业作业中的适用的高新设备，逐渐占有了主导地位。本文通过对近几年无人机行业内部的发展，及大量文献查询和对农业生产的实地调查，叙述总结了高新无人机设备在国内外农业生产方面研究与应用的发展状况和无人机在农业生产当中独特的应用优势，以及农业植保无人机在农药喷洒中“减施、增效”应用的实际效果。
1.国内外无人机在农业上的应用现状
“无人机”英文缩写为“UAV”，是对无人驾驶飞机的简称，是可以灵活、高效利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不載人飞机。国内外无人机企业及无人机研发团队对其研究的历史已接近100年之久，但在市场上对于无人机产品的研究开发与在各大刊物中刊发的与之相关的论文与实验在2009年之后才开始大量出现。作为大面积获取低空遥感信息并且可便捷、快速操作的新型仪器，无人机在精准农业、高效农业领域中得到广泛推广及应用。在20世纪初，农业机械发展大国加拿大利用固定翼飞机进行了大面积农作物、果园等农药与肥料的喷洒。美国作为发达国家的领导者，也于此时代在防治大面积蝗虫侵害方面开始利用有人固定翼飞机进行杀虫剂喷洒[1]。经过了30度年的发展后，日本的农用植保无人机及配套施药技术也逐渐趋于成熟，日本农用无人机生产大型企业“雅马哈”研发生产的无人机，除了能够在短时间内加注汽油、补充药剂外，飞行速度、稳定性及施药效率也达到了很高的标准。植保无人机的推广成功，使日本成为了世界上利用无人机喷洒农药大国。
在我国，无人机研究及应用发展起步较其他国家晚。自2013年开始，无人机在农业生产中的推广应用才逐渐起步。2013年，黑龙江省农业科学院月首次启用无人机投放赤眼蜂防治水稻二化螟技术，利用多旋翼无人机精准自动投放稻螟赤眼蜂，极大控制了二化螟虫害的发生。采用多旋翼无人机进行赤眼蜂的投放，1小时可以完成210～240亩水稻田的赤眼蜂投放量，投放误差仅为1～2米。与人工防治对比，单位时间生产率可提高15～20倍。2015年6月，黑龙江省萝北县农机局组织召开了鹤岗地区第一次由北方天途航空公司生产的TTA天途M8A农用无人直升机作物植保喷药现场演示会。利用无人直升机对水稻、玉米、小麦等主要粮食作物进行值保作业，其结果显示：植保无人机作业效率最高可达到每小时3-4公顷，其雾化效果较人工与有人机相比有很大提升，可在一定程度上穿透作物叶面，药效直达根部[2]，与现行传统喷雾方式相比具有高效、节约、优质、安全、便利等优势。除此之外无人机无需起降跑道、飞行机动灵活而且折旧率较低、易保养，这在很大程度上降低了应用成本，节本增效显著。在无人机农业低空遥感与监测方面。辽宁省环境与航空应用工程中心在21世纪初，通过无人机搭载高分辨率照相机对本地辽河流域现状进行中低空航拍和遥感监测，发回图像显示，在百米高空范围内，所获取的遥感图像分辨率为10cm，监测数据与卫星遥感相比，精确程度得到了极大的提升[3]。在监控生产建设项目水土流失方面，梁志鑫等[4]提出水土保持监测新方法，即利用无人机遥感结合现有监测技术来进行低空监测。在其发表的文章中显示，远近红外设备、多光谱高光谱等遥感系统与无人机相结合，获取监测目标的多种信息可及时回传于操纵者，还可以使跟踪和监测变得更加快速迅速，全面评价对农田状况的方法得以实现。
2.我国无人机应用在大农业上的优势
目前我国农机在农业生产方面，因受到不同农作物和农作物不同时期的株高不同等因素制约，大型农业机械作为农田精确灌溉与农药喷洒的设备难以引入。除此外，人工作业劳动强度大、作业时间长，以为一亩地施药为例，人背20公斤的药箱行走需要1小时左右，而植保无人机升空喷洒只用了不到15分钟。在农药喷洒与施肥时，喷施程度不均匀等现象会经常出现，高产稳产的效果无法达到，还会引起水分及农药利用效率的降低。与传统植保方式相比，农业无人直升机施药效率明显提高，解决了农忙季节雇工难的问题。农业植保无人机施药速度平均每小时可达70亩以上，单飞手驾驶一架无人机一天作业效率可达400亩以上。由于采用远程操纵，减少了人工长时间接触农药而产生的中毒；在农作物上空飞行喷洒，不接触农作物，真正做到了不毁苗，减少了土壤污染；此外，在青壮年劳动力的结构性短缺，农业劳动力成本的持续提高的情况下，农用无人机的发展，必定对农业的稳定发展起到重要作用。
2. 1 无人机喷洒农药高效安全环保
植保无人机本身质量低，由于多旋翼的特性使得其机动性好，具有可随时按照田块的不同与喷洒作物的差別进行飞行速度、喷洒高度及喷洒量进行调整的等优势，在地形复杂地区的农药喷洒作业中也可以广泛的应用。利用无人机进行农药与肥料的喷洒，可以提高农药与肥料喷洒均匀程度，减少农药和水资源的浪费，达到“减施增效”的效果。
我国每年因给作物施药导致的农药中毒人数高达10万人，无人机喷洒在与常规的人工作业相比上，减少了人工长时间接触农药而产生的中毒，不仅能够保证农药施药作业人员的人参安全，同时还可以根据实际需要，适量喷洒农药与肥料，很大程度上提高了农药与肥料喷洒效率和喷洒效果。此外，植保无人机作业高度于作物冠层上方1-2m左右，在此高度下，农药喷洒时受风力等的影响较小，大大减少了农药在喷洒过程中的漂移，能够精确施药，对环境造成的污染十分低，具有很好的环保特性[6]。
2. 2 植保无人机农药喷洒雾化效果好、喷洒浓度适中
2015年来，在消费级植保无人机市场上，主要的机型为多旋翼无人机，在无人机控制农药喷洒的同时，多旋翼无人机的桨叶旋转所产生的风场可以带动农作物摇摆，雾化后的药滴受到空气动力学原理及低空作业的影响，使得农药能够均匀地喷洒到茎叶背面及根部，并且易于植物绒毛吸收，其高效性尤其在农作物病虫害多发时，快速防治的效果十分理想。植保无人机可匹配各种雾化效果的喷头，喷洒农药的雾化效果细致，减少了农药的飘失所造成的风险，单位面积喷雾药液的覆盖密度和喷洒均匀性均得到了提高，到目前，人工和其他喷洒设备无法做到。与传统农药喷洒方式相比，无人机喷洒农药病虫害防治可以看到十分明显的效果。
2. 3 植保无人机作业减施、增效，成本低
农药与肥料喷洒受地形地貌及农作物种类限制较高，作业的难易程度有所差别，农业生产的成本受此的影响也十分明显。根据田地的地形地貌，植保无人机喷洒农药时，可以通过遥控及时的改变其飞行高度、速度及喷量，大部分农作物高度和田地其他影响因素的变化对其影响较小，每亩喷洒成本降低至8元左右的情况下，也可以达到喷洒充足，很大程度上减少了农作物生产成本。在此基础之上，植保无人机零部件折旧率低，损坏元件易于维修，电动无人机可在地头随时充电，单飞手驾驶一架无人机的效率可达每天400亩，无人机作业的人工成本相比于人工喷洒的成本性价比较高，有效降低了降低农业生产的整体成本。国内外无人机企业和团队对于植保无人机的大量研究表明，利用无人机进行农药喷洒，在低喷雾量下即可达到相应效果，可节省约90%的水和50%的农药，大大提高农药的利用效率，以达到国家对于农药化肥“减施、增效”的方针策略。因此，无人机喷洒技术广泛应用于农业生产中，可以缓解水资源紧缺、降低农药化肥喷施量。
3.在节水农业中的应用无人机前景广泛
我国的农业在世界范围内，处于较高的水准，每年在全国总用水量的60%以上是农业用水，目前，全世界范围内水资源匮乏，用水形势紧张，逐步提高水资源利用率，强而有力的推行与发展节水化现代农业，在缓解我国水资源紧缺矛盾的上，有着重大意义[8]。土壤水分含量是节水化现代农业重要的研究目标之一，是广大农业生产者与农业科研人员在农业生产研究中必然关注的重要内容。坚持节约与充分利用土壤水分，农田地区的土壤状况不仅能够缓解，对农作物的生长也起到了很大的作用，更重要的是，在土壤水分节约利用的同时，对于土壤水分的检测，有助于快速精准了解农作物在不同时期的需水量，并根据检测结果，采取合理的节水灌溉方式，达到节约水资源、提高水分利用效率的目的。
轻、小型无人机在进行土壤水分监测时，飞行高度低、反应迅速、监测范围广，相比于其他土壤水分监测仪器，具有监测数据精确度高、时效性强、快速反应等优点，并且外界因素对于无人机的制约较小[12]。无人机低空监测作为获取遥感数据的新兴手段，在现代化农业中的应用日趋广泛。多光谱、高光谱等信息获取设备搭载在无人机上，不仅可以实现土壤的全面监测，还可以检测农作物的折射率，判断农作物的各方面的营养指数，并通过数学模型测算，得出农作物在各时期营养指数，精确施肥施药，确保农作物施肥施药的合理性[13-14]。无人机用于农作物营养指数测定，实用性强、时效性高、成本低[15]。利用无人机对大面积农作物营养指数进行实时、全面监测是农情监测技术的发展趋势，对实行“减施、增效”的现代化农业技术发展有着极其重要的促进作用。
4.结束语
随着我国农业科技的不断进步，农业产业的发展也逐渐向集约化、精准化和智能化慢慢靠拢，无人机的多种功能在农业作业中的广泛运用具有十分大的经济价值和社会价值。无人机工作效率高、维护成本低等特点，在农药喷施作业、农田信息采集、农情监测和等方面优势尤为突出，为现代化农业、精准农业的推进提供了强大的助力，其“减施、增效”的特点，也是国家方针策略实施的典型示范。但是无人机在农业产业的应用相对欧美等其他国家还十分的欠缺，进一步研究和推广，是当下的重中之重。这对于降低农药施药量，增强施药效果，提高粮食产量，保障国家粮食产能与粮食安全具有相当大的意义。在促进现代化、精准化农业的发展，以及提高农田生产等方面的经济效益有极为重要的理论和实践意义。
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作者简介：关宪任，1984年3月出生，男，黑龙江省双鸭山市尖山区，硕士学位，现工作于黑龙江省农业科学院信息中心，助理研究员，主要研究方向为农业现代化与区域经济发展、农业传媒与宣传。