一種適用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測的無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)

張 帥 ,彭一爽

1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047

2.中國建設(shè)銀行股份有限公司鄭州金水支行，河南 鄭州 450000

導(dǎo)讀：簡述了農(nóng)情遙感監(jiān)測概況，分析了無人機(jī)低空遙感在農(nóng)田信息采集中的優(yōu)勢，并構(gòu)建出一種適用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測的無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)，介紹了外業(yè)航拍作業(yè)流程以及內(nèi)業(yè)影像高精度快速拼接處理流程。經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，采集的遙感圖像空間分辨率達(dá)到3mm，麥穗清晰可見，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥農(nóng)田的精細(xì)化監(jiān)測。

農(nóng)情信息是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，為科學(xué)決策和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)依據(jù)，為促進(jìn)增產(chǎn)增收發(fā)揮了重要作用。農(nóng)情信息監(jiān)測則是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)測，其任務(wù)是對(duì)主要作物生長過程進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測，近年來利用現(xiàn)代通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行農(nóng)情信息收集、綜合分析和反饋，對(duì)作物長勢監(jiān)測、種植面積與產(chǎn)量估計(jì)、災(zāi)害評(píng)估等采用遙感科學(xué)與技術(shù)(Remote Sensing，簡稱RS) 、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS) 、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS) 和計(jì)算機(jī)技術(shù)，取得了一定進(jìn)展。

農(nóng)情遙感監(jiān)測是利用以遙感技術(shù)為主的空間信息技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，其范圍大、時(shí)效高和客觀準(zhǔn)確的優(yōu)勢是常規(guī)監(jiān)測手段無法企及的。隨著遙感等空間技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)情遙感監(jiān)測從技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用深度均進(jìn)入了一個(gè)全新時(shí)期，同時(shí)也成為信息農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。我國農(nóng)情遙感監(jiān)測已有三十余年的研究歷史，目前能在一定程度上滿足國家糧食安全和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的信息需求，但是由于我國國土遼闊、地形復(fù)雜、種植結(jié)構(gòu)多樣、農(nóng)戶規(guī)模小，以及遙感技術(shù)發(fā)展的局限性，農(nóng)情遙感在某些關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用運(yùn)行方面仍需要加強(qiáng)研究。

無人機(jī)遙感優(yōu)勢

無人機(jī)遙感，綜合利用了無人駕駛飛行器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、無線通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感傳感器技術(shù)等技術(shù)，能夠快速、高效的獲取地表空間遙感信息。無人機(jī)低空遙感在農(nóng)情監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢和廣闊的前景，無人機(jī)影像能很方便地應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)某一地區(qū)作物的種植結(jié)構(gòu)、作物長勢等信息，為大范圍農(nóng)作物種植及長勢、產(chǎn)量等信息的評(píng)估提供依據(jù)；它還能提供地面農(nóng)作物樣方數(shù)據(jù)，克服傳統(tǒng)GPS地面樣方調(diào)查效率低、范圍小、容易破壞農(nóng)田的缺點(diǎn)，并為缺失衛(wèi)星影像區(qū)域的作物信息空間抽樣提供信息。

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)，使得無人機(jī)遙感在農(nóng)情信息采集中具有獨(dú)特的優(yōu)勢：

(1) 體積小、便攜。無人機(jī)體積小巧，拆卸組裝便捷，易于攜帶，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)；

(2) 受天氣影響小。無人機(jī)的飛行高度方便調(diào)節(jié)，不受云層厚度的影響，對(duì)成像的影響比較小；

(3) 實(shí)時(shí)獲取。目前，我國無人機(jī)發(fā)展空前活躍，各種規(guī)格、各種續(xù)航能力的無人機(jī)比比皆是，使用門檻非常低。只需配置云臺(tái)、相機(jī)和任務(wù)規(guī)劃飛控軟件，在天氣良好的情況下，就可以順利完成農(nóng)情數(shù)據(jù)采集工作；

(4) 位置準(zhǔn)確。無人機(jī)遙感平臺(tái)帶有位置信息、云臺(tái)姿態(tài)等信息采集傳感器，能夠準(zhǔn)確記錄農(nóng)田的經(jīng)緯度信息；

(5) 周期性強(qiáng)。相比衛(wèi)星遙感具有更高的時(shí)間分辨率，無人機(jī)技術(shù)可以與GIS或遙感應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行集成處理，測繪測量應(yīng)用，也能夠很便捷快速的進(jìn)行搭載，為測繪測量工作的綜合性和周期性，提供了良好的保障；

(6) 成本低廉。衛(wèi)星遙感的高精度影像價(jià)格昂貴，低精度影像像元較小，不利于中國復(fù)雜的種植國情，而無人機(jī)價(jià)格相對(duì)便宜，運(yùn)行維護(hù)成本低，適用于民用和科研的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展；

(7) 分辨率高。采集圖像空間分辨率可以達(dá)到毫米級(jí)，對(duì)于識(shí)別各種農(nóng)作物及其狀態(tài)毫無障礙，并能帶來衛(wèi)星遙感所不具有的農(nóng)作物精細(xì)紋理等額外的遙感信息，能夠很好地應(yīng)用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測；

(8) 無損、準(zhǔn)確。相比于實(shí)地抽樣，避免不了踩踏農(nóng)作物的實(shí)地勘查法，無人機(jī)航拍只需在地頭放飛無人機(jī)，就可快速全面完成農(nóng)情信息數(shù)據(jù)采集工作，經(jīng)簡單處理后得到準(zhǔn)確的農(nóng)情信息。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)由無人機(jī)平臺(tái)、無人機(jī)控制系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)平臺(tái)和影像處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

無人機(jī)平臺(tái)

無人機(jī)平臺(tái)是整個(gè)低空遙感系統(tǒng)的載體。多旋翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、機(jī)動(dòng)性好、視野廣、作業(yè)選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)，能及時(shí)獲取低空高分辨率圖像和其他近地面信息，減少人力物力資源消耗，因此本文無人機(jī)平臺(tái)選擇飛行性能強(qiáng)勁、支持高清圖傳的四旋翼無人機(jī)——大疆“悟”(Inspire) 2。

“悟”(Inspire) 2動(dòng)力系統(tǒng)強(qiáng)勁，0～80km/h所需加速時(shí)間僅為5s，最大飛行速度可達(dá)94km/h，最大下降速度可達(dá)9m/s；自加熱雙電池系統(tǒng)可提供最長31min續(xù)航時(shí)間(無負(fù)載) ，并輕松應(yīng)對(duì)低溫的挑戰(zhàn)；最新FlightAutonomy系統(tǒng)，提供了關(guān)鍵傳感器冗余和視覺避障能力；Spotlight Pro、動(dòng)態(tài)返航點(diǎn)等多種智能拍攝、智能飛行功能，極大地拓展了創(chuàng)作空間；加之雙頻雙通道圖像傳輸、FPV攝像頭、新一代多機(jī)互聯(lián)技術(shù)、廣播應(yīng)用等一系列升級(jí)配置，使“悟” 2 變得超乎想象的強(qiáng)大。

無人機(jī)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要完成無人機(jī)飛行控制和航線規(guī)劃，前者用于飛行時(shí)的實(shí)時(shí)控制和交互操作，后者用于設(shè)定無人機(jī)的飛行路線，規(guī)劃飛行任務(wù)。本文無人機(jī)控制系統(tǒng)選擇DJI GS Pro，以支持通過地圖選點(diǎn)、飛行器定點(diǎn)、文件導(dǎo)入等多種方式創(chuàng)建任務(wù)，使無人機(jī)按照規(guī)劃航線自主飛行。

圖1 無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)組成

圖2 影像處理系統(tǒng)

圖3 無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)處理流程

遙感系統(tǒng)平臺(tái)

遙感系統(tǒng)平臺(tái)是無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的傳感器承載平臺(tái)。本文遙感系統(tǒng)平臺(tái)中的云臺(tái)選擇支持可交換鏡頭設(shè)計(jì)的大疆禪思X5S，其相機(jī)使用了一塊由索尼提供的M4/3畫幅(大小約為17mm＊13mm) 傳感器，12.8檔寬容度，并采用MTF卡口標(biāo)準(zhǔn)，共有8款經(jīng)過大疆認(rèn)證的M4/3鏡頭可供選擇，標(biāo)配的鏡頭為跟松下合作的15mm/f1.7鏡頭，本文鏡頭選擇奧林巴斯45mm f 1.8，等效135畫幅焦距90mm，以獲取高分辨率、高畫質(zhì)影像數(shù)據(jù)。

影像處理系統(tǒng)

影像處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)航拍影像的預(yù)處理操作，其流程包括航片篩選、航片對(duì)齊、生成密集點(diǎn)云、生成DSM格網(wǎng)和正射影像輸出等，如圖2所示。本文選擇Agisoft PhotoScan處理軟件，其支持在無控制點(diǎn)情況下，基于影像自動(dòng)生成高分辨率數(shù)字正攝影像圖(Digital Orthophoto Map，簡稱DOM) 及帶精細(xì)色彩紋理的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM) 。

信息采集與處理

無人機(jī)低空遙感小麥農(nóng)田信息采集與處理，一般包括：無人機(jī)準(zhǔn)備、飛行方案制定、無人機(jī)航拍、影像預(yù)處理和提取分析等步驟。

無人機(jī)準(zhǔn)備

檢查無人機(jī)完好狀態(tài)，電池電量(包括無人機(jī)電池、遙控器電池及平板電腦電池) ，儲(chǔ)存卡可用空間，以及測區(qū)電子地圖下載等。

飛行方案制定

根據(jù)測定區(qū)域制定飛行方案，保證飛行區(qū)域完全覆蓋測定區(qū)域；根據(jù)圖像地面分辨率設(shè)定飛行航高，同時(shí)注意觀察測定區(qū)域內(nèi)及周邊是否有樹木、電力線、高大建筑，以及是否屬于禁飛區(qū)等；設(shè)置航向重疊度75%，旁向重疊度60%；設(shè)置拍照模式為等時(shí)間間隔拍照。

圖4 提取分析

無人機(jī)航拍

無人機(jī)航拍前，需要事先根據(jù)航高距離對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；在航拍過程中，需時(shí)刻注意無人機(jī)電池余量，通訊鏈路連接情況，并注意遠(yuǎn)離人群，以保證飛行安全。

影像預(yù)處理

為了實(shí)時(shí)對(duì)無人機(jī)低空遙感外業(yè)采集數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)行定性、定量判定，必須在短時(shí)間內(nèi)完成測區(qū)影像的拼接以及前期數(shù)據(jù)預(yù)處理。無人機(jī)拍攝獲取以影像為中心的投影，要進(jìn)行的應(yīng)用必須對(duì)影像進(jìn)行正射校正，并拼接成圖，獲得整個(gè)測區(qū)的正射影像圖，以便實(shí)時(shí)在外場進(jìn)行初期分析判讀。處理流程包括高精度相機(jī)標(biāo)定、影像預(yù)處理、空中三角測量、DSM/DEM自動(dòng)提取、正射校正、影像鑲嵌、影像裁剪等步驟，如圖3所示。

提取分析

本文采用基于HSV顏色空間與形態(tài)學(xué)的小麥麥穗目標(biāo)分割算法。首先, 通過影像預(yù)處理流程處理后獲得的測區(qū)DOM，根據(jù)HSV空間內(nèi)的色度、飽和度特征，構(gòu)建顏色空間的改進(jìn)模型，進(jìn)行分量均衡化處理，達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的；然后根據(jù)顏色空間分量關(guān)系，對(duì)色度和飽和度進(jìn)行線性運(yùn)算，達(dá)到準(zhǔn)確分割麥穗，得到包含麥穗在內(nèi)的二值圖像；最后，基于形態(tài)學(xué)顆粒分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)元素大小逼近目標(biāo)大小的原則，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特征提取，并完成麥穗目標(biāo)準(zhǔn)確分割，進(jìn)而達(dá)到計(jì)算機(jī)自動(dòng)化數(shù)穗，如圖4所示。準(zhǔn)確高效的麥穗自動(dòng)化計(jì)數(shù)，對(duì)于大田小麥的產(chǎn)量的評(píng)估具有重要的意義。

總結(jié)與展望

無人機(jī)低空遙感作為一種新型的農(nóng)情信息監(jiān)測手段，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，有效地彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和載人航空遙感的缺陷。通過無人機(jī)低空遙感采集小麥農(nóng)情信息實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

將用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測的無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)進(jìn)行小麥農(nóng)田信息采集與處理，在技術(shù)上是可行的，在實(shí)踐中是有效的。

通過長焦距、低航高的低空無人機(jī)遙感采集小麥農(nóng)田信息，能夠快速精確提取大尺度農(nóng)田中小麥的長勢信息，監(jiān)測小麥的生長狀況，并及時(shí)采取有效的管理措施，對(duì)選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的小麥品種，維護(hù)我國糧食安全具有深遠(yuǎn)意義。

采集方法簡單易行，便于推廣應(yīng)用。

通過多旋翼無人機(jī)航拍采集農(nóng)情信息，方法簡單易行，成本低廉，并能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得作物各個(gè)生長周期的數(shù)據(jù)，從而科學(xué)有效的指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高作物產(chǎn)量，保證區(qū)域和國家糧食安全，穩(wěn)定農(nóng)民收入，對(duì)保持社會(huì)穩(wěn)定有重要意義就，適用于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

無人機(jī)低空遙感載荷最好增加紅邊波段。

無人機(jī)低空遙感載荷增加紅邊波段(波長690～730nm) ，能夠有效提升作物類型的識(shí)別能力，并可開展葉綠素含量等作物養(yǎng)分含量監(jiān)測，對(duì)玉米、水稻、大豆、棉花、花生等農(nóng)作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查和農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域具有十分重要的作用?！?/p>

(參考文獻(xiàn)：略。如有需要請(qǐng)聯(lián)系編輯部。)