淺談無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應用價值

田勇+陳可鑫+劉紫陽

摘 要：當今無人機飛防服務勢頭正勁，載著藥罐的無人機已經(jīng)得到廣泛認可，但與此同時，農(nóng)用無人機的另一個潛在應用也不容忽視——農(nóng)業(yè)遙感。遙感被認為是農(nóng)用無人機的另一個潛在市場，隨著精準農(nóng)業(yè)步伐的加快，遙感代表著農(nóng)用無人機的另一個廣闊未來。那么無人機遙感到底能為農(nóng)業(yè)做些什么？在此筆者查閱了相關(guān)資料，在此淺談一下無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)檢測病蟲害、土壤屬性分析等應用價值。

關(guān)鍵字：無人機；遙感；農(nóng)業(yè)

1 監(jiān)測病蟲害

病蟲害是影響作物產(chǎn)量的直接因素，是世界各國的主要農(nóng)業(yè)災害之一。大規(guī)模的病蟲害會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟造成巨大損失。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，世界糧食產(chǎn)量因病蟲害造成的損失占糧食總產(chǎn)量的20%以上。

利用遙感監(jiān)測技術(shù)跟追病蟲害進展情況，有利于展開精準治理工作，做到及時發(fā)現(xiàn)、及時處理，也有利于早期防治。其原理是，病蟲害會造成作物葉片細胞結(jié)構(gòu)色素、水分、氮元素等性質(zhì)發(fā)生變化，從而引起反射光譜的變化，所以病蟲害作物的反射光譜和正常作物可見光到熱紅外波段的反射光譜有明顯差異。

在美國、澳大利亞等地，用無人機遙感監(jiān)測并不罕見。比如，美國有種植戶用無人機監(jiān)測的麥田銹病情況，從中可以明顯看出哪里是重災區(qū)。也有人用無人機查看苜蓿地里的菟絲子（一種惡性寄生性雜草，主要寄生于苜蓿等豆科作物，苜蓿生長易受到惡性雜草菟絲子的嚴重危害，常造成苜蓿植株成片死亡），從而能在災害大規(guī)模爆發(fā)前做到提早預防。

2 土壤屬性分析

當今，世界農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化大國都在提倡精準農(nóng)業(yè)，要求根據(jù)土壤性狀，在作物生長過程中調(diào)節(jié)對作物的要素投入，以最低的投入達到最高的產(chǎn)出，并高效利用各類農(nóng)業(yè)資源，改善環(huán)境，取得較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

作為空中監(jiān)測技術(shù)，農(nóng)業(yè)遙感是推動農(nóng)業(yè)走向精準化的有利手段。農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測主要以作物、土壤為對象。作物在可見光-近紅外光譜波段中，反射率主要受到作物色素、細胞結(jié)構(gòu)和含水率的影響，特別是在可見光紅光波段有很強吸收波段，在近紅外波段有很強的反射特性，可以被用來進行作物長勢、作物品質(zhì)、作物病蟲害等方面的監(jiān)測。土壤可見-近紅外光譜總體反射率相對較低，在可見光譜波段主要受到土壤有機質(zhì)、氧化鐵等賦色成分的影響。因此，土壤、作物等地物固有的反射光譜特性是農(nóng)業(yè)遙感的基礎。

在精準農(nóng)業(yè)中，有一個重要的概念叫做歸一化植被指數(shù)。根據(jù)專業(yè)解釋，歸一化植被指數(shù)是反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一，計算方式是近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和。歸一化植被指數(shù)可以為改善作物健康提供參考依據(jù)，比如告訴你農(nóng)田是否需要額外施肥。

美國一家專門分析土壤樣本的精準農(nóng)業(yè)服務公司Heartland Soil Services，正在嘗試將無人機遙感測繪的歸一化植被指數(shù)（NDVI）圖與土壤取樣分析相結(jié)合，從而生成土壤營養(yǎng)元素圖。這種將二者結(jié)合的方法，相較于原來的只靠土壤取樣分析法（每兩英畝取一個樣本）更加詳細和精準。

3 統(tǒng)計分析植株數(shù)量和成苗率

無人機遙感測繪的另一個用途是統(tǒng)計植株數(shù)量。相比于耗時且只能抽樣調(diào)查的手動計數(shù)，無人機統(tǒng)計更加全面，準確性更高。

據(jù)報道，2016年6月，基于云計算的無人機軟件和制圖解決方案供應商Drone Deploy、農(nóng)業(yè)合作分析公司Aglytix和農(nóng)業(yè)技術(shù)公司AgriSens合作，為農(nóng)作物提供生長分析工具，通過農(nóng)作物數(shù)量統(tǒng)計、農(nóng)作物占地面積來分析當前農(nóng)作物是否為最佳生長距離。

在2016年的植物生長季，加利福尼亞北部的一家私人農(nóng)場請來第三方公司為農(nóng)場74英畝的耕地移植了數(shù)萬番茄植株。為了避免該公司沒有嚴格按照移植數(shù)量收費，私人農(nóng)場工作人員利用AgriSens公司的無人機應用軟件快速實現(xiàn)了數(shù)量統(tǒng)計。

除此之外，用戶也可以借助無人機遙感測繪的硬件和軟件技術(shù)，分析新栽培植株的成苗率，以確定重新栽種方案。

4 自然災害后作物受損評估

農(nóng)作物的整個生長發(fā)育過程與氣象息息相關(guān)，氣候變化和災害性天氣是直接影響糧食生產(chǎn)和農(nóng)民增收，影響農(nóng)業(yè)的平穩(wěn)快速發(fā)展。不可避免的自然災害發(fā)生后，遙感技術(shù)可以用于評估暴風雨和冷凍災害后受損情況。

作物遭受冷凍害后，體內(nèi)葉綠素活性會減弱，對近紅外光和紅光的敏感度下降會導致植被指數(shù)發(fā)生變化，因此植被指數(shù)差異分析主要是通過受災前后植被指數(shù)的差值來判斷受災情況。

在暴風雨災害中，研究表明，水浸后的植被可見光波段反射增強，近紅外波段減弱。且近紅外波段和熱波段的組合可以識別水浸和健康谷類作物。

在伊利諾伊州的一場強風和強降雨天氣中，該州中部地區(qū)105英畝（613畝）的谷物發(fā)生不同程度損害。無人機服務Overhead Ag公司利用無人機技術(shù)生成災后評估報告，詳細標出了輕微受損區(qū)、中度受損和重度受損區(qū)，并且計算出了各自面積和所占比例，讓農(nóng)戶可以直觀了解災后損失情況。

5 總覽梯田概況，便于及時整改

梯田是在坡地上沿等高線分段建造的階梯式農(nóng)田，其是一種重要的水土保持措施，具有保水、保土、保肥的作用。作為坡耕地治理措施的一種，修建梯田可以通過減緩地形坡度、縮短坡長來改變坡面的小地形，進而有效治理坡耕地水土流失。所以，及時獲得梯田的動態(tài)指標，可以為梯田建設成效評價、水土流失防止、水土資源合理利用等提供科學依據(jù)。

利用遙感技術(shù)生成的高分辨率影像對水土保持進行檢測，有利于提取更詳盡的水土保持措施。利用無人機生成高程圖可以直觀看到梯田的整體布局，便于梯田管理者隨挖隨填，及時整改階地和排水系統(tǒng)。

其實衛(wèi)星遙感手段已經(jīng)發(fā)展已久，但衛(wèi)星易受到天氣環(huán)境影響，且軌道周期較長。比較而言，無人機靈活性更強、易部署。相信隨著無人機平臺、傳感器和軟件技術(shù)的進一步提升，未來無人機作為衛(wèi)星等其他遙感平臺的補充手段，可以幫助在農(nóng)業(yè)構(gòu)建起更加完整的監(jiān)測網(wǎng)。

6 結(jié)束語

無人機遙感技術(shù)在在農(nóng)業(yè)上的應用價值是遙感技術(shù)、農(nóng)業(yè)、無人機三者的一個交叉領(lǐng)域，無人機遙感技術(shù)不只只用在農(nóng)業(yè)上，其在巡檢、測繪、搜救等行業(yè)都會用到，隨著遙感技術(shù)的成熟在這些領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用，也是未來我們需要研究的課題。

參考文獻

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