無人機(jī)遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

范月圓，劉華勇

（1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江212010）

0 引言

目前在資源日顯短缺，在農(nóng)產(chǎn)品市場競爭日趨激烈的時代，由于化學(xué)物質(zhì)的過量投入，引起農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，高能耗的管理方式導(dǎo)致生產(chǎn)效益低下，不適應(yīng)持續(xù)發(fā)展的理念需要。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture)其基本涵義是根據(jù)作物生長的土壤性狀，調(diào)節(jié)對作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，以最少或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

遙感(RS，Remote Sensing)技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)體系中獲取田間數(shù)據(jù)的重要來源，積累起來的作物多光譜圖像信息處理及成像技術(shù)、傳感技術(shù)和作物生產(chǎn)管理需求密切相關(guān)。無人機(jī)遙感系統(tǒng)為云下觀測系統(tǒng)，飛得低，看得近，實效性高，不受天氣影響，具有機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，已逐步從研究發(fā)展到實際應(yīng)用階段[1]。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 植物光譜特征

農(nóng)作物在病蟲害侵襲或其他不利生長因素條件影響下，在不同波段上表現(xiàn)出不同程度的吸收和反射特性的改變，通過形式化表達(dá)成為光譜特征后，作為無人機(jī)遙感監(jiān)測的基本依據(jù)。當(dāng)農(nóng)作物受到病蟲害侵?jǐn)_或缺少營養(yǎng)時，葉子會呈現(xiàn)出具有相應(yīng)病態(tài)特征的狀態(tài)，如顏色的改變、結(jié)構(gòu)的破壞或外形的改觀等，同時葉子的光譜反射率也會隨之改變。在可見光波段向近紅外波段過渡區(qū)間，受脅迫農(nóng)作物的植被反射率比健康農(nóng)作物的反射率大，同時，近紅外光譜的變化產(chǎn)生在可見光光譜的變化之前，通過近紅外光譜的監(jiān)測分析，提前預(yù)判評估作物的健康情況[2]，實現(xiàn)對每一塊土地進(jìn)行精細(xì)化、全方位的觀察。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

1.2.1 硬件系統(tǒng)

無人機(jī)遙感系統(tǒng)的硬件主要包括飛行器和傳感器兩部分。

飛行器采用創(chuàng)飛CF3.0無人機(jī)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)套裝，如圖2所示，參數(shù)如下：

創(chuàng)飛CF3.0整機(jī)×1

遙控器×1

TB48D電池×4

禪思X3相機(jī)×1

NIR相機(jī)×1

定制防護(hù)箱×1

圖2 創(chuàng)飛CF3.0無人機(jī)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)套裝

傳感器采用派諾特Sequoia多光譜傳感器（如圖3所示）。Parrot Sequoia五通道光譜相機(jī)可采集可見光和不可見光圖像數(shù)據(jù)，捕捉植物和日光反射光線，提供的標(biāo)定數(shù)據(jù)可用來優(yōu)化監(jiān)測，從而對農(nóng)作物的健康進(jìn)行分析及判斷。Parrot Sequoia所配置的多方位傳感器利用不同的波長捕捉精確照片，繪制出精確的NDVI地圖。

參數(shù)如下：

RGB相機(jī):分辨率:16 Mpx 4 608×3 456px

水平視角（HFOV）:63.9°

垂直視角（VFOV）:50.1°

顯示視角（DFOV）:73.5°

4個單獨波段：

綠波段:550 nm，帶寬：40 nm；

紅波段:660 nm，帶寬：40 nm；

紅 邊:735 nm，帶寬：10 nm；

近紅外:790 nm，帶寬：40 nm。

圖3 Sequoia多光譜傳感器

1.2.2 軟件系統(tǒng)

軟件采用Pix4Dfields，這是一款專為數(shù)字農(nóng)業(yè)打造的農(nóng)田測繪和作物分析軟件，能獲得快速而精準(zhǔn)的地圖，可以生成最常用的指數(shù)NDVI、NDRE、VARI、TGI、SIPI2、LCI、BNDVI、GNDVI地圖，幫助更快識別問題[3]。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 精準(zhǔn)施肥

傳統(tǒng)的施肥方式通常是采用統(tǒng)一施撒，不考慮土壤條件、農(nóng)作物的實際長勢等情況，因而會造成種種偏差和不利影響，結(jié)合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)后，可以操作無人機(jī)飛到問題農(nóng)田區(qū)域，使用無人機(jī)和多光譜相機(jī)采集多光譜影像，這些影像被導(dǎo)入到Pix4Dfields軟件中進(jìn)行自動化處理，生成NDVI植被指數(shù)[4]。分析農(nóng)作物在當(dāng)季及特定土壤中的生產(chǎn)狀況，并創(chuàng)建處方圖，從而得出最佳施氮方案，減少化肥使用量，降低對環(huán)境的不利影響。最后還可以把得到的NDVI地圖，結(jié)合各種因子（氣溫、降水、肥料等）輸入到估產(chǎn)模型中，得到農(nóng)作物的產(chǎn)量分布，如圖4所示。

圖4 無人機(jī)精準(zhǔn)施肥作業(yè)示意圖

2.2 變量施藥

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)報方面主要還是依靠植保人員的田間調(diào)查、田間取樣等方式，費(fèi)時耗力，存在主觀性強(qiáng)、時效性差等弊端，難以適應(yīng)目前大范圍的病蟲害實時監(jiān)測和預(yù)報的需求。

由于病蟲害葉片或冠層光譜是對植物生理、生化、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等改變的整體響應(yīng)，具高度復(fù)雜性，因此對于不同植物，不同類型、不同發(fā)展階段的病蟲害，可能會有多樣的光譜特征。針對這些情況已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的研究對不同作物病蟲害的光譜特征進(jìn)行了報道，研究者們選擇了合適的識別和區(qū)分算法，以建立這些病情和光譜特征之間的關(guān)系提出了各種各樣的方法和模型[5]。在此研究基礎(chǔ)上，我們不僅可以根據(jù)農(nóng)作物的生長周期、歷史環(huán)境判斷蟲害的種類，選擇合適的殺蟲劑，并可以根據(jù)受害的嚴(yán)重程度對農(nóng)田進(jìn)行區(qū)域劃分。

3 結(jié)語

開展無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用，有其他傳統(tǒng)監(jiān)測方式和傳統(tǒng)地面作業(yè)機(jī)械無法比擬的優(yōu)勢，能及時準(zhǔn)確地獲取農(nóng)情信息，并從空中輔助農(nóng)事操作，實現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)方式的精準(zhǔn)施肥、變量施藥，改變了傳統(tǒng)的作業(yè)和管理模式，具有很好的市場推廣應(yīng)用前景。