高爾夫球場草坪智能管理的可行性研究

崔永琪　張軍惺

【摘要】“綠色，高雅，健康，陽光”的高爾夫行業(yè)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在中國乃至全球范圍內(nèi)日趨壯大。高爾夫不僅僅是一種娛樂，一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，它更是成功的代表，潛能的文化。目前全國已有五百多座高爾夫場，并且有很多正在建設(shè)當(dāng)中。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，中國未來十年內(nèi)將會有一千家左右新建高爾夫球場投入使用，但據(jù)調(diào)查高爾夫草坪的系統(tǒng)管理領(lǐng)域還是一項(xiàng)空白，現(xiàn)在草坪各項(xiàng)數(shù)據(jù)的檢測僅僅依靠人工。人工水平的參差不齊，導(dǎo)致高爾夫草坪后期的保養(yǎng)和維護(hù)受到影響。開發(fā)出高爾夫草坪智能管理系統(tǒng)將極大提高草場維護(hù)效率，減少人工投入，降低企業(yè)成本。

【關(guān)鍵詞】高爾夫 草坪智能管理 無人機(jī)

一、選題意義

近年來傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，使得影像數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量有了大幅提高，特別是無人機(jī)航測平臺的廣泛應(yīng)用，使得快速、廉價(jià)地獲取大范圍重疊影像數(shù)據(jù)成為可能，這直接加快了后續(xù)開發(fā)和行業(yè)應(yīng)用的速度。無人機(jī)是指由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，攜帶多種設(shè)備，執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，可重復(fù)使用的無人駕駛航空機(jī)具。目前，國內(nèi)外小型無人機(jī)應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面： 災(zāi)情評估、災(zāi)后救援、洪澇防治、環(huán)境監(jiān)測與治理、城市管理、資源管理、評估土地動(dòng)態(tài)變化等。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中有潛在的應(yīng)用價(jià)值，將無人機(jī)引入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能夠大幅提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，對于促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有長遠(yuǎn)意義。無人機(jī)遙感具有影像分辨率高、機(jī)動(dòng)靈活、成本低、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能夠大幅度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平， 對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。與現(xiàn)有的國土資源無人機(jī)遙感系統(tǒng)相比，低空無人機(jī)遙感具有諸多優(yōu)勢，例如應(yīng)急能力強(qiáng)、獲取速度快，處理效率高、運(yùn)輸方便，因此在大面積農(nóng)作物覆蓋地的測量上有很好的應(yīng)用前景。無人機(jī)低空遙感是衛(wèi)星遙感的有益補(bǔ)充，充分利用無人機(jī)遙感的多種優(yōu)勢，監(jiān)測及定量繁衍作物生長的各項(xiàng)參數(shù)，擴(kuò)大無人機(jī)遙感在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，可更好地服務(wù)和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

二、理論基礎(chǔ)

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康穩(wěn)定的發(fā)展，中國與世界的聯(lián)系日益密切，高爾夫運(yùn)動(dòng)在中國得以蓬勃發(fā)展。同時(shí)，由于人們生活水平的提高和運(yùn)動(dòng)認(rèn)識及觀念的改變，高爾夫的平民化消費(fèi)將逐步實(shí)現(xiàn)，高爾夫運(yùn)動(dòng)也將越來越得到普及。中國高爾夫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于綠化國土、改善投資環(huán)境、吸引外來資金、擴(kuò)大對外交流、活躍地區(qū)經(jīng)濟(jì)都起到了積極的推動(dòng)作用。此外高爾夫球場的建設(shè)在改造生態(tài)、促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尤其在改善我國傳統(tǒng)低效益農(nóng)業(yè)方面發(fā)揮著較大的作用。目前，由于無人機(jī)遙感可以提供多空間尺度、多時(shí)相的地面觀測數(shù)據(jù)，可以輔助目前的遙感數(shù)據(jù)與產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)以及尺度效應(yīng)等研究。但是還沒有將無人機(jī)和遙感技術(shù)應(yīng)于高爾夫草坪質(zhì)量監(jiān)測的相關(guān)研究。然而，低空無人機(jī)遙感仍處于起步階段，尚存在一些需要改進(jìn)的地方，如無人機(jī)機(jī)身穩(wěn)定性有待提高，影像的精度還需要配合地面控制點(diǎn)進(jìn)行幾何糾正等。此外，將低空無人機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)用于地表參數(shù)的定量提取時(shí)，還需要進(jìn)一步完成相機(jī)的輻射定標(biāo)和大氣糾正，在以后工作中對上述問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。

在高爾夫場上，利用無人機(jī)通過預(yù)先設(shè)定好的航拍路徑進(jìn)行定點(diǎn)航拍，最后運(yùn)用專業(yè)軟件進(jìn)行合成，通過系統(tǒng)的分析色差比對，進(jìn)行篩選比對發(fā)現(xiàn)雜物。通過近紅外光譜技術(shù)[1]對高爾夫草坪-土壤營養(yǎng)成分含量和水分含量進(jìn)行檢測， 確定適宜的施肥時(shí)間和施肥量、灌溉時(shí)間和灌溉量， 草坪外觀質(zhì)量評價(jià)以及高爾夫球場中有害生物預(yù)測與防治等方面， 使用該技術(shù)可以及時(shí)獲取草坪草生長及環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，有效提高高爾夫草坪管理決策管理水平。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觀測場地位于石家莊河北體育學(xué)院校區(qū)內(nèi)部，地處河北省石家莊市。球場為高爾夫球綜合練習(xí)場，占地面積150畝，場地內(nèi)擁有70個(gè)打位的雙層練習(xí)場，一個(gè)面積為300平米的高爾夫球綜合實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)部配有模擬器、揮桿動(dòng)作分析系統(tǒng)Pro V1、推桿動(dòng)作分析系統(tǒng)Samputter、擊球數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)X2等輔助設(shè)備。場地四周有300個(gè)打擊墊和200塊標(biāo)準(zhǔn)真草打擊區(qū)，綜合練習(xí)場內(nèi)有總桿數(shù)為28桿的迷你三桿洞9個(gè)。草坪草主要是草地早熟禾（Poa pretensis），只有果嶺草坪和發(fā)球臺草坪為匍匐翦股穎（Agrostis stolonifera），除草坪外，球場內(nèi)還有樹木、水域以及部分硬化道路。草坪質(zhì)量監(jiān)測管理的對象為高爾夫球場的果嶺、果嶺坪床、發(fā)球臺、球道，以及障礙區(qū)（沙坑、水域、高草區(qū)）。養(yǎng)護(hù)管理的手段主要為施肥、澆水、打藥、修剪、打孔、劃破草皮、覆沙，碾壓、扒沙等。養(yǎng)護(hù)的目的是為了草坪在遭到踐踏，低修剪，高溫，病蟲害等脅迫的情況下，能夠通過施肥，澆水、覆沙等養(yǎng)護(hù)手段來保持球場各區(qū)域的使用功能正常健康，從而達(dá)到一個(gè)較高水平的平衡。研究設(shè)計(jì)的高爾夫草坪質(zhì)量監(jiān)測無人機(jī)遙感系統(tǒng)以無人飛行平臺，機(jī)載數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)等數(shù)字遙感設(shè)備進(jìn)行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行影像的分析處理，以實(shí)現(xiàn)對地面信息的實(shí)時(shí)調(diào)查與監(jiān)測。

要想成功施行高爾夫球場草坪智能管理，關(guān)鍵在于無人機(jī)技術(shù)和紅外光譜技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。先通過人工在高爾夫球場內(nèi)設(shè)置無人機(jī)飛行路徑點(diǎn)GPS坐標(biāo)。進(jìn)行定點(diǎn)定位拍攝圖片，通過軟件合成全景圖，再通過色差分析比對找出雜物、異物、球痕等有礙于高爾夫球場正常使用的因素，將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。再通過紅外光譜技術(shù)，分析土壤營養(yǎng)成分，含水量和有害生物。將數(shù)據(jù)匯總到平臺，平臺分析處理數(shù)據(jù)，將高爾夫草場按照所缺物質(zhì)劃分區(qū)域，再利用無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行噴灌。市面上的無人機(jī)設(shè)備已經(jīng)具備定點(diǎn)飛行的功能。需要進(jìn)一步開發(fā)將無人機(jī)繪制的圖片轉(zhuǎn)換到合成軟件里的這個(gè)通道軟件和將色差比對結(jié)合，把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給各級維護(hù)人員這一部分。對于紅外光譜技術(shù)，只需解決把匯總收集到的數(shù)據(jù)，發(fā)送到無人機(jī)系統(tǒng)。搭載預(yù)先調(diào)配完成的藥物，進(jìn)行噴灑。系統(tǒng)不單單精簡了高爾夫球場維護(hù)人員的數(shù)量，還進(jìn)一步科學(xué)化了高爾夫草場的管理系統(tǒng)。

本研究以多旋翼無人機(jī)為平臺，同步搭載Canon EOS 數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、傳感器元件等組成的無人機(jī)草坪質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開展試驗(yàn)， 分別獲取球場的果嶺、果嶺坪床、發(fā)球臺、球道，以及障礙區(qū)（沙坑、水域、高草區(qū)）的遙感影像，對河北體育學(xué)院高爾夫球場草坪質(zhì)量和影響草坪質(zhì)量的因子進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行影像的分析處理，使用機(jī)器識別和大數(shù)據(jù)技術(shù)對采集到的數(shù)字圖像及其它數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并對比專業(yè)草坪管理人員實(shí)驗(yàn)室的化驗(yàn)分析結(jié)果， 以實(shí)現(xiàn)對草坪質(zhì)量的實(shí)時(shí)調(diào)查與監(jiān)測，及時(shí)地對草坪養(yǎng)護(hù)管理中出現(xiàn)的問題進(jìn)行糾正，對草坪的病蟲害進(jìn)行科學(xué)的預(yù)防和防治，對草坪土壤情況進(jìn)行定期的測定達(dá)到測土施肥的目的。最終使高爾夫球場草坪質(zhì)量既能夠滿足球手擊球的需要，又要盡量在較低的養(yǎng)護(hù)成本的條件下達(dá)到人們理想的狀態(tài)，對環(huán)境質(zhì)量的提高起到推進(jìn)作用。

四、結(jié)論與展望

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的高爾夫草坪質(zhì)量監(jiān)測無人機(jī)遙感系統(tǒng)，包括空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊和地面監(jiān)控模塊。其中空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊的主要功能是控制無人機(jī)系統(tǒng)按照既定航線平穩(wěn)飛行，并將飛行狀態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，主要包括無人機(jī)飛行系統(tǒng)、遙感器系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng);地面監(jiān)控模塊則是發(fā)送飛行狀態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)獲取命令、接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)監(jiān)控。采集果嶺、果嶺坪床、發(fā)球臺、球道等不同區(qū)域的草坪數(shù)字圖像，使用MATLAB軟件對每個(gè)單幅影像進(jìn)行圖像處理，取出不同質(zhì)量草坪的特征。利用無人機(jī)航攝影像制作高爾夫球場的數(shù)字正射影像圖，并針對制作過程中的航高航線設(shè)計(jì)、控制點(diǎn)選取布設(shè)、影像預(yù)處理、解析空中三角測量等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究。利用強(qiáng)力度數(shù)據(jù)處理軟件、影像處理軟件生成測繪成果圖，使復(fù)雜姿態(tài)下的全部影像可以聯(lián)合平差處理成等效無縫正射影像。使用提取到的草坪特征，結(jié)合機(jī)器識別、人工智能和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，分析處理高爾夫球場草坪無縫正射影像，得出草坪質(zhì)量監(jiān)測報(bào)告。

目前，市場上雖然有大量檢測設(shè)備但這些設(shè)備都是針對特定目標(biāo)單次檢測，數(shù)據(jù)需要加工后才能反饋給維護(hù)人員，成本高，效率慢是其缺點(diǎn)。很少有針對高爾夫球場定時(shí)定點(diǎn)自動(dòng)化檢測，自動(dòng)分析處理數(shù)據(jù)反饋給客戶的高效率系統(tǒng)。高爾夫球場草坪智能管理領(lǐng)域幾乎處于空白階段，競爭壓力極低，這就需要我們抓住機(jī)會，率先進(jìn)入這一行業(yè)。對于企業(yè)來說，實(shí)行智能管理一方面，可以節(jié)約人力成本，精簡管理維護(hù)人員，更易擴(kuò)大企業(yè)規(guī)模。另一方面，可以更科學(xué)化的，提高草場的質(zhì)量，從而增加消費(fèi)者在使用中的滿意度。對于消費(fèi)者來說，高爾夫球場普及率的提高，使得普通民眾更容易接觸這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，也使得企業(yè)的利潤增加，獲得了繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模的資本。良性循環(huán)，便形成了一種“全民高爾夫”的氛圍。此行業(yè)走在社會發(fā)展潮流的前沿，在不久的將來，還可以利用這個(gè)系統(tǒng)，針對湖泊和雪場開發(fā)相應(yīng)的配套軟件，發(fā)展前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]李書英.近紅外光譜技術(shù)在高爾夫草坪管理中的應(yīng)用[A].光譜學(xué)與光譜分析[C].天津市：南開大學(xué)化學(xué)系，2008.1539-1543.

作者簡介：崔永琪（1999-），男，河北灤南人，河北體育學(xué)院。張軍惺（1980.1-），女，河北體育學(xué)院。

項(xiàng)目來源：2018年河北體育學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201811236037）;2017年河北體育學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2017JYZHC14）。