小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用探討

陳 藝

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510000）

小型無(wú)人機(jī)遙感主要是通過(guò)微型傳感器運(yùn)用通訊、定位技術(shù)達(dá)到快速獲取目標(biāo)地或者事物相關(guān)數(shù)據(jù)信息的目的，進(jìn)而對(duì)所獲取到的信息數(shù)據(jù)開(kāi)展后期處理工作，使其應(yīng)用于不同行業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用得到了較大范圍的普及，加強(qiáng)小型無(wú)人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用探究，并研究未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，是推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要措施，也是提升小型無(wú)人機(jī)遙感在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用水平的必要研究。

1 小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)特點(diǎn)分析

小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)包含無(wú)人駕駛的飛行平臺(tái)、遙感傳感器、能量控制、信息數(shù)據(jù)傳輸、影響處理等系統(tǒng)。無(wú)人駕駛的飛行平臺(tái)主要分無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)、混合翼無(wú)人機(jī)4 種。小型無(wú)人機(jī)主要指荷載能力低于15 kg、飛行高度低于3 km、飛行速度低于33 m/s 的無(wú)人機(jī)型。依據(jù)不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，在小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載相應(yīng)的微型傳感設(shè)備，獲取相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)。微型傳感器具有體積較小、質(zhì)量較小、功耗較低、較高安全性能等特點(diǎn)。當(dāng)前常見(jiàn)微型傳感器主要包含數(shù)碼相機(jī)、高光譜相機(jī)、多光譜相機(jī)、激光雷達(dá)、熱紅外掃描儀等。信息傳輸系統(tǒng)將獲取到的相關(guān)信息生成影像、數(shù)字模型、光譜指數(shù)等信息結(jié)果，并將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或管理活動(dòng)之中。

2 小型無(wú)人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用探討

2.1 在監(jiān)測(cè)農(nóng)田空間信息方面的應(yīng)用

小型無(wú)人機(jī)遙感在監(jiān)測(cè)農(nóng)田空間信息方面主要可以完成對(duì)農(nóng)田基本地塊的地理坐標(biāo)信息采集，還可以對(duì)農(nóng)田中所種的農(nóng)作物實(shí)施分類，使上述2方面信息數(shù)據(jù)融合，用于計(jì)算不同農(nóng)作物實(shí)際種植面積，具有較為精準(zhǔn)的計(jì)算特點(diǎn)。在農(nóng)田空間信息監(jiān)測(cè)方面，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)攜帶的高清數(shù)碼照相機(jī)等傳感設(shè)備，對(duì)農(nóng)田空間信息開(kāi)展高效、精準(zhǔn)識(shí)別與信息判定。除此之外，隨著無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在空間構(gòu)型測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，農(nóng)田空間監(jiān)測(cè)工作不斷進(jìn)入高程信息發(fā)展階段，在空間信息分辨率方面實(shí)現(xiàn)了較大提高，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)田空間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷向精細(xì)化方向發(fā)展。

2.2 在監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生產(chǎn)狀態(tài)方面的應(yīng)用

一是用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的表型參數(shù)信息。主要監(jiān)測(cè)葉面積指數(shù)，也就是單位農(nóng)田地表中單面綠葉面積總和信息，反映農(nóng)作物開(kāi)展光合作用的效果。小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以通過(guò)多光譜數(shù)據(jù)采集技術(shù)探測(cè)地表農(nóng)作物種植指數(shù)，通過(guò)對(duì)光譜參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)提取，計(jì)算地表植被指數(shù)，進(jìn)行模型構(gòu)建。該技術(shù)在近年來(lái)不斷應(yīng)用于空間構(gòu)型方面的測(cè)量研究，以王東亮為代表的相關(guān)研究人員在呼倫貝爾草原開(kāi)展了實(shí)地研究工作，主要研究無(wú)人機(jī)自身飛行高度對(duì)于監(jiān)測(cè)草層高度和覆蓋率信息的影響。二是用于獲取農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)信息。小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)利用不同農(nóng)作物所產(chǎn)生的差異性光譜反射吸收特點(diǎn)，對(duì)不同類型的農(nóng)作物所具有的氮素含量、葉綠素等信息指標(biāo)實(shí)施診斷和判別。比如葉綠素對(duì)430～460 nm 的藍(lán)紫光以及640～663 nm 的紅光具有較強(qiáng)的吸收特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)分析顏色、文理等信息對(duì)農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)情況開(kāi)展研究。當(dāng)前較為成熟的研究成果主要有以葉綠素含量為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立的預(yù)測(cè)模型等。三是監(jiān)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量。當(dāng)前大多數(shù)研究是在對(duì)多種因素開(kāi)展綜合分析的基礎(chǔ)之上不斷向著具有高預(yù)測(cè)精度的產(chǎn)量預(yù)估技術(shù)發(fā)展。以趙曉天為代表的研究人員在開(kāi)展農(nóng)作物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息采樣之上，根據(jù)不同空間尺度獲取的高光譜信息數(shù)據(jù)，建構(gòu)了農(nóng)作物指數(shù)與產(chǎn)量模型。該模型主要通過(guò)精度曲線的變化趨勢(shì)開(kāi)展預(yù)測(cè)，進(jìn)而得出最佳農(nóng)田空間尺度面積。

2.3 在監(jiān)測(cè)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)因素方面的應(yīng)用

農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中主要有3個(gè)影響因素需要小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)。一是利用熱紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田濕度監(jiān)測(cè)。在農(nóng)作物高度覆蓋的農(nóng)田中，農(nóng)作物會(huì)關(guān)閉葉片氣孔降低蒸騰作用過(guò)程中水分的流失，進(jìn)而使得農(nóng)田區(qū)域的地表熱通量不斷增加，導(dǎo)致農(nóng)作物冠層溫度不斷升高。對(duì)冠層溫度實(shí)施監(jiān)測(cè)需要注意裸露土壤。當(dāng)前很多研究人員不斷研究裸土溫度與農(nóng)作物地表覆蓋度兩者間的關(guān)系，以更為精準(zhǔn)地獲取裸土因素對(duì)冠層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的具體影響，提升農(nóng)田濕度監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。二是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)。小型無(wú)人機(jī)遙感利用近紅外光譜所具有的發(fā)射效果來(lái)探測(cè)農(nóng)田植被生長(zhǎng)過(guò)程中的病蟲(chóng)害問(wèn)題，主要研究農(nóng)作物葉片位于近紅外區(qū)域時(shí)發(fā)射出的海綿組織以及柵欄組織情況。受到病蟲(chóng)害侵蝕的農(nóng)作物葉片當(dāng)中的上述兩組織會(huì)表現(xiàn)出萎縮打蔫現(xiàn)象，在成像信息中會(huì)表現(xiàn)出較為顯著的降低或缺失。除此之外，熱紅外監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)也具有一定的監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害信息的作用。健康農(nóng)作物的蒸騰作用會(huì)受到葉片氣孔關(guān)閉的影響，而病蟲(chóng)害侵蝕之后，葉片會(huì)出現(xiàn)病理變化，影響蒸騰作用，造成葉片溫度顯著升降的變化特點(diǎn)。三是其他影響因素信息。開(kāi)展農(nóng)藥使用效果監(jiān)測(cè)，以棉花種植為例，通過(guò)對(duì)NDVI信息指數(shù)的分析判斷棉花的成熟期葉片所具有的老熟程度，對(duì)所施農(nóng)藥效果進(jìn)行判斷，防止農(nóng)藥過(guò)量使用情況發(fā)生。

3 小型無(wú)人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用趨勢(shì)研究

小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于初期階段，在應(yīng)用技術(shù)管理方法等方面存在較大的提升空間。小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用過(guò)程需要從成本管理、無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性、操控能力、信息數(shù)據(jù)獲取以及處理技術(shù)等方面開(kāi)展深入研究。

3.1 搭建更加便捷、成本低廉的技術(shù)平臺(tái)

提高無(wú)人機(jī)操控平臺(tái)穩(wěn)定性，使其可以和傳感器實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的配合，從而有效提升農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)水平。當(dāng)前我國(guó)小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用受到成本高、運(yùn)行穩(wěn)定性差、惡劣天氣影響大等方面因素的影響，并且存在遙感操控平臺(tái)設(shè)計(jì)復(fù)雜、對(duì)人員依賴性較高等問(wèn)題，使得小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用受到較大限制。由此可見(jiàn)今后搭建操控更加便捷、成本更加低廉、穩(wěn)定性更高的無(wú)人機(jī)技術(shù)平臺(tái)是重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。

3.2 對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)情況實(shí)施周期性監(jiān)測(cè)

當(dāng)前小型無(wú)人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用缺乏周期性和連續(xù)性，而農(nóng)作物生長(zhǎng)具有十分明顯的周期性和連續(xù)性特點(diǎn)，不同生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)參數(shù)、指標(biāo)數(shù)據(jù)具有差異性。以單一或少量生育期農(nóng)作物生長(zhǎng)信息建立的模型不具有代表性。以棉花生育期不同適用性模型的構(gòu)建為例，需要對(duì)其分階段開(kāi)展相關(guān)信息數(shù)據(jù)的分析與判斷。對(duì)農(nóng)作物同一生長(zhǎng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)也會(huì)由于生長(zhǎng)周期方面的差異性而受到較大影響。今后小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)研究需要重點(diǎn)開(kāi)展農(nóng)作物生長(zhǎng)周期以及連續(xù)性信息數(shù)據(jù)方面的研究，通過(guò)開(kāi)展周期性監(jiān)測(cè)來(lái)提升監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。

3.3 提升多元化信息數(shù)據(jù)的利用效率

農(nóng)田信息具有多樣化特點(diǎn)，應(yīng)用小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)需要以多元化信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展各類信息數(shù)據(jù)的分析與研究，進(jìn)而得出更加全面、精準(zhǔn)的結(jié)論。將不同遙感信息綜合管理和應(yīng)用，是當(dāng)前遙感技術(shù)研究的重要內(nèi)容和方向。以激光雷達(dá)遙感技術(shù)的研究為中心，通過(guò)高分辨率照相機(jī)、高光譜成像儀器以及熱成像儀等傳感設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展所獲取的植株高度、寬幅、葉面長(zhǎng)度和寬度等信息，可以建立更加全面的農(nóng)作物生長(zhǎng)模型，提升高通量農(nóng)作物表型信息測(cè)量，進(jìn)而為基因組學(xué)以及生物學(xué)等分析研究工作提供更加全面的信息數(shù)據(jù)。在開(kāi)展農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)過(guò)程中，在有農(nóng)作物覆蓋的農(nóng)田中所獲取的遙感信息數(shù)據(jù)和農(nóng)作物的實(shí)際狀態(tài)之間的聯(lián)系更為緊密，而當(dāng)前小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在超高空間分辨率方面的發(fā)展具有一定的滯后性，受農(nóng)作物生長(zhǎng)初期地表覆蓋度低等情況的干擾，存在一定的分辨能力差等問(wèn)題。因此，為了更好地提升信息精準(zhǔn)度，開(kāi)展海量數(shù)據(jù)的采集、分析與處理也是當(dāng)前重要的遙感信息數(shù)據(jù)研究方向與內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

小型無(wú)人機(jī)遙感是具有靈活機(jī)動(dòng)、操控簡(jiǎn)單、超高空間分辨率、應(yīng)用成本低等特點(diǎn)的創(chuàng)新型信息監(jiān)測(cè)技術(shù)，將其應(yīng)用于農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)和管理工作，是我國(guó)信息和科技技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢(shì)。當(dāng)前小型無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)受成本、操控技術(shù)、傳感技術(shù)、信息數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面的限制較大，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在一定問(wèn)題，將其應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)還需要進(jìn)行簡(jiǎn)化操控平臺(tái)、降低生產(chǎn)成本、研究周期性監(jiān)測(cè)以及提升多元化信息數(shù)據(jù)利用效率等方面的技術(shù)研究，以促進(jìn)小型無(wú)人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用效率和質(zhì)量。