《智慧农业的 “数字农 匠”——图学赋能田间地头》系列

无人机“飞阅”农田：数字地图指导精准施肥|智慧农业的 “数字农匠”——图学赋能田间地头(01)

无人机“飞阅”农田：数字地图指导精准施肥

清晨，一架无人机从农田边缓缓升起，飞向一望无际的麦田。它一边飞行，一边用摄像头拍摄地面。没过多久，电脑屏幕上就出现了一张神奇的农田地图：有的区域是绿色，有的区域是黄色，还有的区域是红色。

“咦，为什么同一片农田会有不同的颜色？”

原来，这就是一张反映庄稼生长情况的数字地图。借助它，农民伯伯可以了解农田不同区域的生长差异，再结合土壤检测，判断哪里需要多施肥，哪里需要少施肥。

过去，农民伯伯主要依靠经验管理农田；如今，无人机、数字地图和智能设备正在让农业变得更加科学。这项技术究竟是怎样工作的呢？让我们跟着无人机，一起探索农田里的科技秘密。

一、同一片农田为什么需要不同的肥料？

我们每天都需要吃饭，因为身体的生长离不开营养。其实，农田里庄稼也一样。它们除了需要阳光、水分和空气，还需要从土壤中吸收各种养分。

如果土壤缺少养分，庄稼就可能长得瘦小、叶片发黄，甚至影响收成。因此，农民伯伯需要给庄稼施肥，就像为植物准备一顿“营养餐”。

但是，施肥并不是越多越好。想象一下，一片麦田里，有的地方土壤肥沃，小麦长得又高又壮；有的地方土壤贫瘠，小麦长得比较矮小。如果给所有地方施相同数量的肥料，就可能出现这样的情况：有些地方肥料不够，庄稼长不好，而有些地方又施得太多，多余的肥料不仅浪费钱，还可能随着雨水进入河流，造成环境污染。

那么怎样才能准确知道每块土地需要多少肥料呢？首先，我们得弄清楚庄稼究竟长得怎么样。这时候，我们的“观察员”——无人机就派上用场了。

二、无人机怎样发现庄稼的生长秘密？

过去，农民伯伯想知道庄稼长得好不好，需要走进田里仔细观察。如果农田面积很大，检查起来就非常辛苦。现在，无人机可以从空中快速观察整片农田。而且，它不仅能拍摄普通照片，还能携带一种特殊的拍摄装置——多光谱摄像头，它可以帮助记录一些肉眼看不见的光线信息。

当太阳光照射到植物叶片上时，一部分光被吸收，另一部分被反射。健康的绿色植物通常会吸收较多红光，同时反射较多近红外光。这些近红外光虽然无法被人眼直接看见，却能够被特殊传感器探测到。科学家发现，通过分析植物反射的不同光线，就能够帮助我们了解植物的绿色生长情况。

图1 无人机医生给庄稼做“健康体检”

当无人机沿着规划好的路线飞过麦田时，它会连续拍摄许多照片，并记录不同位置的光线信息。这些信息就像一份特殊的“体检报告”，为农民伯伯了解庄稼生长情况提供了重要线索。

不过，这些照片数量很多，直接查看并不方便。怎样才能让农民伯伯一眼看出整片麦田的差异呢？答案就是把它们制作成数字地图。

三、照片怎么变成数字地图？

无人机完成拍摄后，计算机会把收集到的照片拼接起来，就像完成一幅巨大的拼图，形成整片农田的影像地图。接着，计算机通过分析不同区域的光线信息，生成一张反映庄稼生长差异的数字地图。

为了方便观察，地图通常会使用不同颜色表示不同的生长状况。例如，绿色可能代表庄稼长势较好，黄色代表需要关注，红色则代表长势较弱。这样，农民伯伯不必走遍每一块土地，只需要打开电脑，就能快速找到需要重点检查的区域。

图2 反映庄稼长势的农田数字地图

但是，发现庄稼长得不好，并不代表一定是缺少肥料。如果植物缺水，叶片也可能发黄；如果受到病虫害侵袭，长势同样可能变弱。因此，农民伯伯还需要根据数字地图，到重点区域进行实地检查，并结合土壤养分检测，找出庄稼生长不良的真正原因。

假设经过检查，农民伯伯发现这片麦田可以分成三个区域：第一片区域养分充足，不需要追加肥料；第二片区域略微缺肥，需要适当补充；第三片区域缺肥比较明显，需要补充更多养分。

有了这些信息，就可以进入下一步：制定精准的施肥方案。

四、数字地图怎样指导精准施肥？

农民伯伯把无人机采集的信息和土壤检测结果输入计算机，结合小麦的生长需求，便可以制定一张特殊的地图——“变量施肥处方图”。

为什么叫“处方图”呢？因为它很像医生为病人开出的药方。医生会根据不同病人的身体情况决定用药，而施肥处方图则根据农田不同区域的实际需要，确定肥料的种类和数量。

例如，在这张地图中，绿色区域可以少施肥或暂时不施肥，黄色区域适量补充肥料，红色区域则根据检测结果增加相应的肥料。

当然，真正的施肥量需要科学计算，不能只根据颜色决定。制定好处方图后，就轮到智能施肥无人机登场了。一些农业无人机不仅能拍照，还可以携带肥料，通过专门的装置进行撒施或喷洒。技术人员将施肥方案导入作业系统，无人机就能按照规划好的路线飞行。

图3 会“按需送餐”的智能无人机

它利用卫星定位确定自己的位置，再根据处方图调整施肥量：飞到需要较多肥料的区域时，适当增加施肥量；飞到养分充足的区域时，则减少甚至停止施肥。这种根据农田不同位置的实际需要，科学调整施肥量的方法，就叫“精准施肥”。

不过，施肥还需要考虑天气、土壤湿度和作物种类等因素。例如，大风天气可能影响喷洒效果，暴雨前施肥也可能增加肥料流失的风险。

所以，精准施肥不是简单地让机器自动工作，而是让科学分析和智能设备共同发挥作用。

五、未来的农田会是什么样？

想象一下，未来的农田会不会变成一个巨大的“智慧园区”？土壤中的传感器负责测量温度和湿度；天空中的无人机负责巡视庄稼；卫星从更高的地方观察农田；计算机把各种信息整理成数字地图；人工智能则帮助农民伯伯分析数据。

当某片区域的庄稼出现异常时，系统就能发出提醒：“这里的小麦长势变弱了，需要检查一下！”农民伯伯通过手机查看地图，就能知道应该去哪里检查，是否需要浇水、施肥或者防治病虫害。这就像给农田装上了一双聪明的“眼睛”和一个会分析问题的“大脑”。

从过去依靠经验观察农田，到如今利用无人机、数字地图和人工智能进行科学管理，农业正在发生巨大的变化。一张小小的数字地图，背后包含着数学、光学、计算机和农业等许多学科的知识。它告诉我们，科学不仅存在于实验室里，也可以走进田间地头，帮助农民伯伯解决实际问题。

科技让种田变得更加聪明。也许未来的某一天，你也能成为一名农业科学家，用自己的智慧，让祖国的农田更加美丽、丰收！

作者：王跃嵩  华中科技大学  副教授

审核：郝育新  北京信息科技大学   教授

《智慧农业的 “数字农匠”——图学赋能田间地头》系列：

01. 无人机“飞阅”农田：数字地图指导精准施肥

02. 庄稼长得好不好，数字模型告诉你

03. 图学算法如何“揪出”生病植株病虫害智能识别

04. 数字棉花与智慧果园：图学技术成为“数字农具”

05. 从“会种地”到“慧种地”：图学技术助力乡村振兴