精细农业起飞

译 / 常俪

海外视角

精细农业起飞

译 / 常俪

今年，一些公司宣布将使用无人机运送物资，这在行业内引起不小的讨论。随着相关技术的发展，更多人使用无人机，与此同时，无人机的用途也更加广泛，无人机系统的发展达到了新高度。很明显，无人机的发展需要国际标准，但是，这与农业有什么关系呢？

超过 70亿的生命依靠人类刨开地表浅层种植植物的特殊能力而生存。尽管这些农作物稳稳地扎根于土壤，神奇的是，这些农作物却唯独是靠天生长的。

植物将水和二氧化碳通过太阳能转化成糖（和水），阳光和水是免费的，劳动力、燃料、农药和肥料是主要成本，农业生产更多依赖的是土地。通常，由于成本和环保方面的原因，水也是要付费的。为了使农业生产持续下去，以满足不断增长的人口的需要（事实上，从你开始阅读这篇文章，地球上又有 50 人出生了），我们需要更好地利用这些资源，这就是发展精细农业的原因。

精细农业的概念出现于 20 世纪 80 年代，那时我们当中的大多数人无法想象如何将它实现，当前的技术将精细农业变成了现实。为了这些答案，我们再次仰望天空。更准确地说是求助于 ISO/TC 20/ SC 16 无人机系统标准化分技术委员会的秘书长Cortney Robinson，或者为人们所熟知的无人机。

迫切的需求

Robinson 是航空工业协会（AIA）民航基础设施（Civil Aviation Infrastructure）的负责人，他召集了一个专家组制定无人机国际标准 ISO 21384。他们正在做一项很有抱负的工作，包括通用规范、产品系统和操作程序三个部分的工作内容。值得指出的是，尽管政府希望参与其中，但第1部分只涉及民用和商用无人机的通用技术要求，不包括政府和军事用途无人机。通用规范的第2部分提出了设计、制造和任何无人机的持续适航，后面的内容将会提到；其涵盖的内容已经超越了无人机本身。ISO 21384-3是关于操作程序的具体要求。标准制定的时间安排比较紧张，暂定于 2018 年发布。

对于业内人士来讲，国际标准的发布还不够快。“无人机的制造成本已经大大降低了，这将有助于满足无人机爱好者和商用无人机需求的探索，”Robinson 解释道。我们可以从美国联邦航空管理局（FAA）维护的飞行设备注册数据中，清楚地看到这一点。“尽管小型无人机是自愿注册，但大多数爱好者选择‘在飞行前获知’的情况下注册他们的无人机。注册无人机的数量已经实现了跳跃式增长。美国 2015 年注册的飞机（载人和无人驾驶）大约有 260 000 架，目前仅无人机的注册数量已超过750 000 架。”

低空飞行限制

公众对无人机的关注随之增长。无论话题是否围绕隐私、缺少经验的操作者，还是对设备进行不正确的改进（可以从 YOUTUBE 上看到一些糟糕的例子），当前在美国有 FAA 规范、行业指南和一些常识对这些问题的回应。AIA 作为美国航空和国防意见代表，正在与FAA一起努力将无人机系统整合进美国国家空域系统。

不同国家的方法差别很大，但是在许多情况下，正如 Robinson 所说的，“一个限制风险的方法是根据无人机的大小（总质量包括有效载荷）和操作时其所处的高度进行分类”。这样便会产生一种风险分类，对于高风险类别，要求用户有相应的操作能力，就像坐在驾驶舱里操作一样的能力。

在农业应用中，无人驾驶飞行器可以在非常低的高度执行任务（常常低于 120m，这是某些行政管辖区的上限），除了最大型号的设备需要专门的执照以外，其他设备都可以运行。很多无人机，尤其执行绘图任务的无人机，由软件控制其执行任务。

无人机能做的事很多

事实上，通过软件远程操控正是无人机的特点。为了理解无人机和人们喜欢的飞行器模型，我们必须看看过去的飞行器技术本身。系统的机载部分是一个固定翼飞行器，像一架小型飞机；靠转子提供动力，通常是4个转子，常被称为“四轴飞行器”（quad-copter）。其他部件包括地面控制部分、一个专门建造的“飞行站”、一台手提电脑或一部智能手机。无人机飞去哪儿，如何对其航线做出反应以及应该收集什么信息是先设计好的。多亏有指挥控制连接（系统的第三部分和最后一部分）维持地面与空中的交流，无人机和远程控制站才可以协同工作。涉及飞行器本身以外的其他方面内容，也是 ISO/ TC 20/SC 16 工作的一部分。

用于农业的飞行模式，通常需要在农作物垄间上下重叠飞行。想象一下加拿大的小麦田。在适合谷物生长的地区，农场面积达 1000hm2（单块田约宽 2km、长 5km）。步行 4h 才能绕其一周，而使用无人机，在同样的时间可以飞遍整个区域。

一些问题逐渐清晰。无人机能够做到比农民步行更快的准确测量。照此规模，投入和潜在的节约是巨大的（这样一块农田每年需要 150t氮肥肥料）。这么大面积土地的不同位置能提供给植物的生长环境是不同的（一些土壤深且湿润，一些土壤多石且干燥；一些区域存在有害的昆虫和菌类，而其他地块可能没有；一些植物会长高，有些种子甚至不会发芽……）。

从像素到补救措施

如果能够绘制一张清晰的包括所有土壤信息的图，那么农民可以给最贫瘠的土壤施肥，只灌溉干旱的土壤和对有害虫的地段喷洒农药。这样做不但可以节约大量资金，还可以实现高产。节约资金、提高利润、采用高科技的耕作方式同时保护环境。

但是，如何绘制这张信息图，而且如果有了这样的图，该如何行动？软件公司 Pix4D 的图像处理专家兼农业方案经理 Jorge Fernandez 了解这些。2011 年，在瑞士洛桑成立了一家致力于前沿软件开发的机构，这些软件可以将无人机收集的信息转化为图像，Fernandez将无人机收集回来的信息称作“调查级，以辐射度测量的、按几何级数的、准确的二维反射图（NDVI map 的基础信息）和正射影像地图，三维点云与表面模型一样。

软件应用广泛，从不动产和测量，到为全球最古老的再生植物的二氧化碳摄取研究、提供新研究视角的加利福尼亚巨杉3D模型。但是，对于为人类提供能量的植物，那些每年播种、收获和被吃掉的植物，这些软件是如何发挥作用的呢？ Fernandez 解释说 ：“这基本上分为三个阶段 ：首先在飞行中收集数据；然后，百万级的数据点被解读和重新组合生成准确显示植物情况的信息图；最后，农民或通常是农学顾问基于生成的指标图制定补救方案。”这个补救方案将制定出土地的每个部分的投入级别。

远不止于此

需要指出的是，无人机经常要携带比普通摄像机精密的仪器。“农业方面，最常用的是多光谱传感器。它与摄像机类似，但多了五个相互独立的镜头，每个应对不同颜色的光。”其中有些波段是人眼捕捉不到的，但对光合作用非常重要。那么无人机是如何发挥作用的呢？ Fernandez 讲到 ：“一定波长以外的光会告诉我们一些信息，比如，植物是否被压到，或者是否受到了害虫的侵害，即便是在症状被观测到之前。农场的工作人员可以基于此，进一步观察植物，发现并处理问题。”

其中一种典型的信息图是 NDVI，它能显示出从地面上观测不到的，或常规照片不能显示出的田地中的裸点。“它是可信赖的氢气压力指示器，”Fernandez讲道。租用或购买一套专业的无人机系统是值得的，因为可以发现反复出现的压力模式，这就意味着可以针对问题制定长期计划，农民可以从土地上获得逐年增长的最大收益。”

可以投入得更少

随着人口的增长，资源和土地方面的压力也不断增长。虽然未来会有提高生产能力的新方法，但是，似乎不会有像 20世纪初期那样的效果——借助于哈勃-博施法和复合肥将产量提升4倍。但是，考虑到利用等效能量，用1升燃油将空气中的氮转化进1kg的肥料中的做法，少施一些肥料得到同样的结果似乎是可行的。

在农作物营养和保护方面采用最新技术，可持续性地用水和基于可靠数据制定耕作计划，看起来是可行的方式。最新一代无人机，将这个可能性不断扩大。随着无人机应用范围和使用人群的扩大，迫切需要发布相关国际标准，以确保安全，并从技术中获得最大收益。幸运的是，ISO/TC 20/SC 16 正在努力进行这方面的工作。

（原文标题：Precision farming takes off，

作者：Barnaby Lewis，译自ISO官网）