無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用

閆慶偉

（東北工程技術(shù)學(xué)校，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 無人機遙感技術(shù)概述

無人機遙感技術(shù)，即利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)結(jié)合遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)等先進技術(shù)，而實現(xiàn)自動化、智能化、專用化快速獲取國土資源、自然環(huán)境、地震災(zāi)區(qū)等空間遙感信息，并能夠完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的技術(shù)。

1.1 我國無人機遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國的土地利用模式發(fā)生了極大的變化，利用傳統(tǒng)遙感技術(shù)獲取的地物信息已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展和建設(shè)的需要，而無人機遙感技術(shù)在這個時候應(yīng)運而生，這種新型的應(yīng)用型技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在諸多行業(yè)當(dāng)中，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中，通過無人機遙感技術(shù)，可以擴大探測范圍，并實時、精確地獲取作物信息，且極大地提高了數(shù)據(jù)信息的傳輸效率，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了良好的基礎(chǔ)信息保障，這種技術(shù)與傳統(tǒng)測繪技術(shù)相比，極大地降低了前期工作成本，這種便捷高效，低成本的應(yīng)用技術(shù)越來越受到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的歡迎。

1.2 無人機遙感技術(shù)的優(yōu)勢

1.2.1 機動靈活性好

無人機遙感技術(shù)與航空遙感技術(shù)相比，其載體平臺為無人機，無人機體量小質(zhì)量輕，與其他的載體平臺相比，運行速度更快，靈活性更好，使用無人機遙感技術(shù)進行信息獲取的時候，只需提前將行進路線設(shè)定好，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行時，讓無人機根據(jù)提前設(shè)定好的行進路線，自動參與巡航和噴藥。

同時，因為無人機遙感技術(shù)具備靈活性好的優(yōu)勢，通過無人機遙感技術(shù)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作可以獲得多個角度的目標拍攝，進一步提高獲得數(shù)據(jù)的準確性，避免因外物遮擋或數(shù)據(jù)模糊而造成的數(shù)據(jù)損失。

1.2.2 數(shù)據(jù)精確性高

通過無人機遙感技術(shù)獲取地物信息之后，信息處理的速度特別快，其具體應(yīng)用過程中拍攝像相機的分辨率非常高，這使得獲取地物信息數(shù)據(jù)的精確性特別高，再通過其他信息技術(shù)處理方式，還可以提取出所有有效的地物信息。

1.2.3 傳輸信息效率高

無人機遙感技術(shù)與其他遙感技術(shù)相比，其獲取信息傳輸信息的效率更高，在無人機遙感技術(shù)指導(dǎo)作物生產(chǎn)的時候，通過數(shù)碼相機、傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息，可以實時傳送到地面接收塔，使技術(shù)人員可以實時獲取信息，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展進度。

1.2.4 安全性好

無人機遙感技術(shù)主要通過無人機平臺進行戶外作業(yè)，技術(shù)人員通過遠程監(jiān)控即可及時有效地獲取信息，并對當(dāng)?shù)厍闆r做出及時的反應(yīng)，尤其是對一些危險系數(shù)高的地區(qū)進行勘探的時候，無人機遙感技術(shù)無疑是一種安全性較高的有效措施，有效地降低了戶外工作人員出現(xiàn)安全問題的概率，從而保障了安全性。

1.2.5 監(jiān)測范圍比較大

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對無人機遙感技術(shù)要求的不斷提高，當(dāng)下階段，我國無人機遙感技術(shù)的監(jiān)測范圍也在不斷擴大，其監(jiān)測區(qū)范圍包括一些大范圍和一些小范圍，無人機遙感可以通過不同的飛行高度、不同的角度，實現(xiàn)高空間范圍多角度大面積的監(jiān)測，也可以在較低的低空高度進行多角度較小范圍的精確監(jiān)測，并且可以多架同時監(jiān)測和多次監(jiān)測。除此之外，還可以利用三維仿真模擬技術(shù)，將獲取的遙感信息進行分析模擬，這樣可以宏觀展示監(jiān)測范圍之內(nèi)的環(huán)境情況，以及檢測范圍內(nèi)的危害情況、危害程度和危害范圍，從而為農(nóng)業(yè)部門展開治理行動提供科學(xué)依據(jù)。

2 無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用

隨著無人機遙感技術(shù)的快速發(fā)展，無人機遙感技術(shù)，已經(jīng)廣泛地運用到了各個領(lǐng)域。精準農(nóng)業(yè)，也稱精細農(nóng)業(yè)，是農(nóng)民管理作物的一種方式，用以確保水和肥料等投入的效率，并最大限度地提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和產(chǎn)量。精準農(nóng)業(yè)還包括防治蟲害、水災(zāi)和作物疾病的內(nèi)容。農(nóng)民可通過無人機遙感技術(shù)在空中持續(xù)監(jiān)測作物和牲畜的狀況，迅速發(fā)現(xiàn)在地面抽查中不會顯現(xiàn)出來的問題。例如，他們可以通過無人機延時攝影發(fā)現(xiàn)部分作物沒有得到適當(dāng)?shù)墓喔?。本?jié)將從以下五個方面說明無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。

2.1 作物評估

監(jiān)控整個作物種植區(qū)需要花費大量時間和人力，而無人機可以快速掃過并檢查，并發(fā)現(xiàn)生長緩慢、需要采取補救措施的作物。傳感器可以監(jiān)測植物吸收和反射特定波長的光，形成顏色對比圖像，直觀地反映出有問題的區(qū)域。從這些數(shù)據(jù)生成的圖像包括NDVI（歸一化差異植被指數(shù)）地圖，其通過計算近紅外和可見光輻射的差異的比率與衛(wèi)星圖像和無人機的長期監(jiān)測獲得（如圖1所示）。通過這種方法，不但可以辨別土壤、作物和森林。此外還能夠偵查有病蟲害的作物，這是因為有病蟲害的作物其反射光的程度和方式不同。最新的研究表明，這種光譜數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)被農(nóng)藥傷害的作物，以及生長在作物中，對除草劑免疫的雜草。

圖1 應(yīng)用無人機遙感技術(shù)進行農(nóng)作物不同生育期長勢監(jiān)測

2.2 監(jiān)測病蟲害

影響作物產(chǎn)量的一個關(guān)鍵因素是病蟲害。作物受病蟲害減產(chǎn)是世界各國糧食減產(chǎn)的重要因素。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。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（如圖2所示）。成因是：病蟲害會造成作物葉片細胞結(jié)構(gòu)中色素、水分、氮元素等性質(zhì)發(fā)生改變，隨之其反射光譜發(fā)生改變。證明：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。

圖2 病蟲害無人機遙感監(jiān)測及精準施藥服務(wù)

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)測麥田銹病情況，從中可以明顯看出哪里是重災(zāi)區(qū)。也有人用無人機查看苜蓿地里的菟絲子，菟絲子是一種惡性寄生性雜草。菟絲子主要寄生于苜蓿等豆科作物，受到惡性雜草菟絲子的嚴重危害，造成苜蓿植株成片死亡。利用無人機遙感監(jiān)測能在災(zāi)害大規(guī)模爆發(fā)前做到提早預(yù)防。

2.3 分析土壤屬性

當(dāng)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、土壤為監(jiān)測對象。作物在可見光-近紅外光譜波段中，反射率主要受到作物中色素、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的吸收波段，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(chǔ)。

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（如圖3所示）。

圖3 大區(qū)域全天候無人機遙感土壤水分監(jiān)測

2.4 自然災(zāi)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(zāi)害性天氣直接影響糧食生產(chǎn)和農(nóng)民增收，影響農(nóng)業(yè)的平穩(wěn)快速發(fā)展。自然災(zāi)害發(fā)生后，遙感技術(shù)可以用于評估暴風(fēng)雨和冷凍災(zāi)害后的受損情況。作物遭受冷凍害后，細胞中葉綠素的活性會減弱，對近紅外光和紅光的敏感度下降會導(dǎo)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(zāi)前后植被指數(shù)的差值來判斷受災(zāi)情況。

研究表明，在暴風(fēng)雨災(zāi)害中，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。

2.5 查看梯田概況，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，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(shè)成效評價、水土流失防治、水土資源合理利用等提供科學(xué)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地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)。

衛(wèi)星遙感手段發(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，可以幫助農(nóng)業(yè)構(gòu)建起更加完整的監(jiān)測網(wǎng)。

3 結(jié)束語

無人機遙感技術(shù)融合了無人機技術(shù)的優(yōu)勢和遙感技術(shù)的優(yōu)勢，無人機遙感技術(shù)具備機動靈活性好、數(shù)據(jù)獲取精確性高、數(shù)據(jù)傳輸效率高、監(jiān)測范圍擴大且精細化、安全性好、成本低等優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的測量測繪技術(shù)相比，無人機遙感技術(shù)極大地提高了技術(shù)精度，保障了農(nóng)民的安全，加速了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展進程。無人機遙感技術(shù)作為一種新興的應(yīng)用型技術(shù)，因其獨特的優(yōu)勢條件在各類農(nóng)業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。