小麥倒伏無(wú)人機(jī)航拍災(zāi)害評(píng)估技術(shù)研究

鄒英健/中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所

分析了無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在小麥倒伏災(zāi)害評(píng)估中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，提出了基于無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的災(zāi)害評(píng)估處理方法，并給出了實(shí)際應(yīng)用案例。

小麥倒伏災(zāi)害分析

小麥倒伏是在小麥生長(zhǎng)發(fā)育中后期，因氣候因素或栽培措施不當(dāng)，造成小麥大面積倒伏，嚴(yán)重影響小麥成熟，造成減產(chǎn)的一種現(xiàn)象。近年來(lái)，我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)河南、河北、山東、安徽、江蘇、四川等地，由于受大風(fēng)、暴雨等極端天氣影響，造成小麥大面積倒伏的事件時(shí)有發(fā)生給國(guó)家和農(nóng)民帶來(lái)巨大損失。

小麥倒伏災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)后評(píng)估就成為當(dāng)務(wù)之急。災(zāi)后評(píng)估包括對(duì)受災(zāi)位置、受災(zāi)面積、受災(zāi)程度等方面的評(píng)估。由于惡劣天氣引發(fā)小麥大面積倒伏大多發(fā)生在小麥生長(zhǎng)發(fā)育中后期，災(zāi)后評(píng)估的快速及時(shí)就顯得尤為重要。災(zāi)后評(píng)估的準(zhǔn)確性、及時(shí)性直接影響到：

（1）受災(zāi)損失程度的準(zhǔn)確性；

（2）災(zāi)后生產(chǎn)自救指導(dǎo)措施的合理性；

（3）災(zāi)害理賠的合理性和及時(shí)性。

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)事業(yè)的大力發(fā)展，農(nóng)作物生產(chǎn)參保率大幅提高，災(zāi)后評(píng)估也是農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)業(yè)定損理賠的重要依據(jù)，快速準(zhǔn)確的災(zāi)后評(píng)估對(duì)快速合理理賠、保障農(nóng)戶(hù)利益、維護(hù)社會(huì)安定也非常重要。由此可見(jiàn)，災(zāi)后評(píng)估在應(yīng)對(duì)小麥倒伏災(zāi)害中具有重要作用。

農(nóng)田發(fā)生小麥倒伏情況通常是大范圍、大面積，但具體到倒伏地塊里，并不完全是全部地塊都倒伏，經(jīng)常是塊狀倒伏形狀，有連續(xù)的情況也有不連續(xù)的情況。同時(shí)倒伏的程度也不相同。總體上情況復(fù)雜，無(wú)規(guī)律可循。在地面上進(jìn)行精確倒伏面積測(cè)算十分困難，需要新的技術(shù)手段進(jìn)行精確的倒伏面積測(cè)算和程度評(píng)估。

圖1 2017年5月25日焦作市修武縣小麥倒伏現(xiàn)場(chǎng)照片

無(wú)人機(jī)航拍的優(yōu)點(diǎn)

基于小麥倒伏的受災(zāi)特點(diǎn)，結(jié)合空中遙感的大面積影像獲取能力和精確信息提取的優(yōu)勢(shì)，我們提出利用無(wú)人機(jī)航拍，進(jìn)行小麥倒伏災(zāi)害評(píng)估。原理上講，遙感是在不同的電磁譜段內(nèi)周期性地收集地表信息，研究、識(shí)別地球和環(huán)境的重要方法。無(wú)人機(jī)作為一種有效的空中遙感平臺(tái)，其快速靈活的特點(diǎn)，使無(wú)人機(jī)航拍在各種災(zāi)害評(píng)估方法中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

（1）位置準(zhǔn)確

無(wú)人機(jī)航拍中，無(wú)人機(jī)云臺(tái)自帶有位置信息、云臺(tái)姿態(tài)信息采集設(shè)備，能夠準(zhǔn)確采集災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，記錄災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確位置。

（2）實(shí)時(shí)獲取

目前，我國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展空前活躍，各種大小、各種續(xù)航能力的無(wú)人機(jī)比比皆是，使用門(mén)檻非常低。只要配置了云臺(tái)、相機(jī)和任務(wù)規(guī)劃飛控軟件，在天氣良好的情況下，就可以順利完成災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作。

（3）分辨率高

所采集圖像數(shù)據(jù)地面分辨率可以達(dá)到毫米級(jí)，對(duì)于識(shí)別各種農(nóng)作物及其狀態(tài)毫無(wú)障礙。

（4）無(wú)損、準(zhǔn)確

相比于實(shí)地抽樣、估算受災(zāi)面積，還避免不了踩踏農(nóng)作物的實(shí)地勘查法，無(wú)人機(jī)航拍只需在地頭放飛無(wú)人機(jī)，就可快速全面完成災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后得到準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果。無(wú)人機(jī)航拍評(píng)估方法更快速、全面、準(zhǔn)確，還不損壞農(nóng)作物。

災(zāi)害評(píng)估處理方法

無(wú)人機(jī)航拍小麥倒伏災(zāi)害評(píng)估方法，一般包括無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備、根據(jù)災(zāi)害評(píng)估區(qū)域制定飛行方案、無(wú)人機(jī)航拍、圖像拼接、識(shí)別受損農(nóng)作物、計(jì)算受災(zāi)面積、評(píng)估受災(zāi)程度、生成上報(bào)材料等步驟（見(jiàn)圖2）。

圖2 災(zāi)害評(píng)估流程

圖3 航片對(duì)齊

圖4 DSM格網(wǎng)

（1）無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備

檢查無(wú)人機(jī)完好狀態(tài)，航拍設(shè)備正常、電池電量，儲(chǔ)存卡可用空間等。

（2）制定飛行計(jì)劃

根據(jù)評(píng)估區(qū)域設(shè)定飛行區(qū)域，飛行區(qū)域必須完全覆蓋評(píng)估區(qū)域；根據(jù)圖像地面分辨率設(shè)定飛行航高，同時(shí)注意觀(guān)察評(píng)估區(qū)域內(nèi)及周邊是否有電力線(xiàn)、高大建筑等，所設(shè)定飛行航高，必須保證飛行安全，必要時(shí)可適當(dāng)降低地面分辨率；航向重疊度設(shè)定不小于70%，旁向重疊度設(shè)定不小于50%，如果有微風(fēng)，需要適當(dāng)增大航向重疊度、旁向重疊度的設(shè)定值。

（3）無(wú)人機(jī)航拍

無(wú)人機(jī)航拍過(guò)程中，需注意無(wú)人機(jī)電池余量，及時(shí)更換電池。

（4）圖像拼接

可用于無(wú)人機(jī)圖像拼接的商業(yè)軟件有Agisoft Photoscan、Erdas、Trimble inpho等，其自動(dòng)化水平都很高，可以很快地完成圖像自動(dòng)拼接。

以Agisoft Photoscan為例，處理流程包括篩選航片、航片對(duì)齊（見(jiàn)圖3）、生成密集點(diǎn)云、生成DSM格網(wǎng)（見(jiàn)圖4）、正射影像輸出等步驟。

（5）災(zāi)害評(píng)估影像分析算法

識(shí)別小麥倒伏，既可采用人工目視識(shí)別的方法，也可以利用算法自動(dòng)提取。

1）人工目視識(shí)別

圖5中，A區(qū)是剛剛種植其他農(nóng)作物的耕地，近乎荒地，很亮；B區(qū)是正常的小麥田塊，亮度偏暗，紋理細(xì)膩，均勻，恰似毛茸茸的地毯；C區(qū)是小麥倒伏的田塊，小麥倒伏之后，葉片的反射面增大，反射太陽(yáng)光的能力增強(qiáng)，所以比正常小麥明顯變亮；同時(shí)，小麥倒伏情形多種多樣，有全倒，有半倒，有這個(gè)方向倒，有那個(gè)方向倒，有連片倒，有小范圍倒，因此，小麥倒伏的田塊不但亮，還粗糙，顆粒變化大，明顯有別于正常小麥。

2）自動(dòng)提取

自動(dòng)提取的算法有很多。由于我們無(wú)人機(jī)航拍圖像只有紅綠藍(lán)三波段，就采用了圖6所示自動(dòng)提取流程。

由于小麥倒伏區(qū)域有陰影邊界，陰影邊界也屬于倒伏面積，只是亮度明顯變低，小麥倒伏區(qū)域和陰影邊界需要分別提取。圖7是以圖5為原始圖像的提取結(jié)果（白色部分小麥倒伏）；圖8是提取結(jié)果矢量化后（紅色）與原始圖像的疊加。

由圖8提取結(jié)果矢量化后與原始圖像的疊加可以看出，絕大多數(shù)提取結(jié)果與人工目視識(shí)別相吻合，只是在非小麥區(qū)域有零星錯(cuò)誤提取現(xiàn)象，需要人工干預(yù)。

（6）計(jì)算受災(zāi)面積和生成上報(bào)材料

根據(jù)委托人的要求格式，計(jì)算受災(zāi)面積，生成上報(bào)材料。

實(shí)例應(yīng)用分析

2017年5月22日16時(shí)至19時(shí)，河南西部、北部出現(xiàn)降水天氣過(guò)程，局地伴有雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，多個(gè)地方出現(xiàn)小麥大面積倒伏報(bào)案。位于河南西北部的焦作市，所轄各縣發(fā)生了不同程度的小麥倒伏（稱(chēng)為“5.22暴雨大風(fēng)災(zāi)害”），其中以修武縣、溫縣尤甚。由于正值小麥灌漿、成熟期，倒伏將對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響。2017年5月25日-26日，對(duì)焦作各地實(shí)施無(wú)人機(jī)航拍工作，對(duì)小麥倒伏進(jìn)行了受災(zāi)面積評(píng)估。共獲取無(wú)人機(jī)原始航片2000多張，制作無(wú)人機(jī)影像圖23幅，覆蓋實(shí)地6km2。

圖5 不同狀態(tài)小麥對(duì)比

圖6 自動(dòng)提取流程圖

圖7 倒伏小麥提取結(jié)果

圖8 提取結(jié)果矢量化

圖9 某一地塊受災(zāi)面積評(píng)估結(jié)果

圖9所示是某一地塊的受災(zāi)面積評(píng)估結(jié)果，地塊總面積161.48畝（邊線(xiàn)為黑色線(xiàn)條），嚴(yán)重倒伏面積82.50畝（邊線(xiàn)為紅色線(xiàn)條），輕度倒伏面積20.55畝（邊線(xiàn)為棕色線(xiàn)條，位于圖中心）。

經(jīng)抽樣方法的實(shí)地測(cè)量檢驗(yàn)表明，無(wú)人機(jī)航拍對(duì)小麥倒伏災(zāi)害評(píng)估的準(zhǔn)確度在90%以上，其評(píng)估結(jié)果得到了農(nóng)戶(hù)、保險(xiǎn)公司和政府三方的一致認(rèn)同。6月初是夏收時(shí)間，小麥?zhǔn)崭钤诩?，急需以最高的效率、最精?zhǔn)的手段核定農(nóng)戶(hù)的損失。無(wú)人機(jī)航拍的應(yīng)用，解決了快速、準(zhǔn)確核定農(nóng)戶(hù)損失的問(wèn)題，避免了不必要的經(jīng)濟(jì)糾紛，保障了農(nóng)戶(hù)和國(guó)家的合法權(quán)益，維護(hù)了社會(huì)安定。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍小麥倒伏災(zāi)害評(píng)估實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于小麥倒伏災(zāi)害評(píng)估，利用無(wú)人機(jī)航拍方式進(jìn)行，在技術(shù)上是可行的，在實(shí)踐中是有效的。

利用無(wú)人機(jī)航拍對(duì)小麥倒伏面積進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了評(píng)估過(guò)程對(duì)農(nóng)作物的零損害，評(píng)估形式和評(píng)估結(jié)果得到了委托雙方的充分認(rèn)可，都認(rèn)為評(píng)估過(guò)程快速、全面，直觀(guān)，評(píng)估結(jié)果可信度高。

（2）評(píng)估方法簡(jiǎn)單易行，便于推廣應(yīng)用。

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)已經(jīng)成熟，在農(nóng)田上進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍方法簡(jiǎn)單方便，容易掌握，評(píng)估技術(shù)經(jīng)過(guò)前期的技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)形成流程化處理，可在很多地方進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（3）無(wú)人機(jī)航拍最好增加近紅外波段。

為了計(jì)劃一步提升評(píng)估的準(zhǔn)確性，在識(shí)別農(nóng)作物種類(lèi)、生長(zhǎng)狀態(tài)方面，近紅外波段具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？稍黾咏t外波段以進(jìn)一步提高農(nóng)作物受災(zāi)面積識(shí)別精準(zhǔn)度的提高。