無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測中的應(yīng)用

李欣璐，凌燦權(quán)

（惠州工程職業(yè)學(xué)院，廣東 惠州 516000）

0 引言

農(nóng)情遙感監(jiān)測技術(shù)是以衛(wèi)星或者無人機(jī)為技術(shù)載體，采用遙感技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)測分析，達(dá)到對農(nóng)作物產(chǎn)量的預(yù)估、病蟲害的防治和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)噴灑的目的。將遙感技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)相融合，運用在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化產(chǎn)生積極的作用。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備有著作業(yè)范圍小、實時監(jiān)測難、衛(wèi)星遙感搭建成本高、對天氣狀況要求極高等問題，無人機(jī)技術(shù)與遙感技術(shù)相融合能有效地解決上述問題，對農(nóng)作物進(jìn)行定量、定性、定位的監(jiān)測分析。農(nóng)田管理者通過監(jiān)測分析獲得農(nóng)作物數(shù)據(jù)實現(xiàn)變量投入、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、減少農(nóng)藥化肥的使用[1-2]。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)在國外農(nóng)情監(jiān)測中的應(yīng)用

國外無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展比較早，從世界范圍看，美國、日本、加拿大等國家的農(nóng)業(yè)航空發(fā)展規(guī)模和技術(shù)都較為完善。無人機(jī)遙感技術(shù)在美國、日本、加拿大等國家是農(nóng)田信息監(jiān)測的中堅力量，隨著無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，加速推動了世界各國的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。無人機(jī)遙感技術(shù)在監(jiān)測農(nóng)田作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)和土壤分析規(guī)劃中取得了良好的應(yīng)用。

1.1 農(nóng)田作物生長數(shù)據(jù)監(jiān)測

美國Kauai 咖啡公司使用Pathfinder-Plus 太陽能無人機(jī)飛行器在1 500 hm2種植區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，通過搭載超高分辨率彩色光譜成像儀拍攝圖像，進(jìn)行實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行分析得出數(shù)據(jù)，以監(jiān)測雜草爆發(fā)、施肥異常和灌溉暴露等情況[3]。無人機(jī)飛行器能有效節(jié)約人力勞動，兼具時效性好、成本低、安全性高等優(yōu)點迅速在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得應(yīng)用發(fā)展，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量的同時節(jié)約生產(chǎn)成本。

無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)在西班牙同樣廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，無人機(jī)搭載光譜分析設(shè)備在監(jiān)測胡蘿卜素含量上作用效果顯著[4]。光譜分析設(shè)備主要監(jiān)測400～800 nm 光譜區(qū)內(nèi)葉片的胡蘿卜素的含量，農(nóng)田管理者能實時掌握農(nóng)作物的胡蘿卜素的含量，有效提高了作物收成。JOSE MANUEL PEN 將無人機(jī)搭載近紅外多光譜相機(jī)，對玉米田地雜草覆蓋率進(jìn)行拍照對比分析[5]。拍照的圖像會自動生成1 張雜草網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，同時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行分析比對，農(nóng)田管理者會針對分析結(jié)果制定除草劑合理使用方案，達(dá)到精準(zhǔn)噴灑，有效的節(jié)約了生產(chǎn)成本。

日本將無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在計算葉面積指數(shù)，主要功能是對農(nóng)作物的單面綠葉面積進(jìn)行總量計算，針對光合作用的農(nóng)作物，通過無人機(jī)搭載光譜設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，能最大化的利用有限土地達(dá)到最大的收成[6]。

1.2 農(nóng)田土壤分析及規(guī)劃

隨著人口的不斷增加,各國的土地使用情況日益緊張，耕地面積更為嚴(yán)峻，所以土壤的監(jiān)測分析尤為重要，通過監(jiān)測土壤的成分和分析其養(yǎng)分，合理規(guī)劃農(nóng)作物的選種和種植，能有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時使得農(nóng)田土地的使用率提高。法國學(xué)者AMELIE QUIQUEREZ 通過無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測土壤表面的特征對環(huán)境侵蝕的影響，針對圖像分析找到當(dāng)?shù)氐纳狡滤亮魇У脑颍⑻岢隽撕侠砘慕ㄗh，實現(xiàn)了保護(hù)植被的良好效果[7]。圖1 為無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田土壤表面特征的應(yīng)用。

圖1 農(nóng)田土壤表面特征

日本農(nóng)民戶均耕地面積較小，地形多山[8]，無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)可以有效解決土地種植分配問題，以無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)作為技術(shù)載體，對土壤信息進(jìn)行分析，分配合適的種植作物，合理規(guī)劃使用有限的耕地面積，針對性的種植對應(yīng)作物，從而增加收成量。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)在國內(nèi)農(nóng)情監(jiān)測中的應(yīng)用

我國的無人機(jī)發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，目前我國無人機(jī)技術(shù)在世界處于領(lǐng)先地位。隨著科技的發(fā)展我國無人機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，特別是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在農(nóng)情監(jiān)測中的土壤濕度監(jiān)測、植被覆蓋率監(jiān)控、病蟲害防治監(jiān)測、農(nóng)業(yè)保險賠付等方面，無人機(jī)遙感技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢。為完善我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)對農(nóng)田監(jiān)測的不足[9]，我國正重點發(fā)展低空無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，主要應(yīng)用在土壤濕度監(jiān)測應(yīng)用、植被覆蓋監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測、精準(zhǔn)施肥等方面中并取得良好的效果。

2.1 無人機(jī)遙感技術(shù)在土壤濕度監(jiān)測中的應(yīng)用

大多數(shù)農(nóng)作物對氣候、土壤溫濕度等因素具有一定的要求,農(nóng)田土壤的濕度直接影響農(nóng)作物的光合作用、呼吸作用、生長等生命活動，適宜的濕度可以使得農(nóng)作物產(chǎn)量提高。土壤的濕度過低，會嚴(yán)重導(dǎo)致土壤干旱缺水，從而影響農(nóng)作物的光合作用，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴(yán)重干旱缺水直接導(dǎo)致植物的調(diào)零和死亡[10]。土壤過于濕潤，導(dǎo)致土壤的通透性變差，使得土壤中的微生物無法正常的進(jìn)行呼吸作用，無法正常分解養(yǎng)分供給植物生長，更嚴(yán)重的情況是令農(nóng)作物的根部呼吸、生長等生命活動受到阻礙，導(dǎo)致作物根部缺氧窒息凋亡。

無人機(jī)遙感技術(shù)采用4K 高清攝像機(jī)低空拍攝土壤的照片，通過建立數(shù)據(jù)模型將獲得的圖像信息進(jìn)行比對，進(jìn)而得出土壤的濕度情況，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測。農(nóng)田管理者根據(jù)土壤的濕度信息，合理對農(nóng)田土壤灌溉，并且可以實時掌握農(nóng)作物的長勢。傳統(tǒng)的土壤監(jiān)測濕度技術(shù)無法實現(xiàn)大面積的監(jiān)測，不能滿足其在農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展和應(yīng)用。低空飛行無人機(jī)搭載可見光近紅外高清攝像頭拍攝照片進(jìn)行各種空間分析，獲得土壤的濕度等相關(guān)信息，圖2 為搭載紅外成像儀無人機(jī)正在監(jiān)測灌溉渠道水分滲漏情況。農(nóng)田管理者通過收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對農(nóng)田土壤濕度的控制[11]。無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)具有低成本、高時效性、輕便、起飛方式靈活等優(yōu)點，輕松解決我國土地遼闊、地形復(fù)雜導(dǎo)致的監(jiān)測難等問題。

圖2 搭載紅外成像儀無人機(jī)監(jiān)測灌溉渠道水分滲漏情況

2.2 無人機(jī)遙感技術(shù)在植被覆蓋監(jiān)測中的應(yīng)用

植被覆蓋率是地表植被分布的重要參數(shù)指標(biāo)，是一個區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境評價的重要指標(biāo)，它能精準(zhǔn)預(yù)測農(nóng)作物產(chǎn)量。近幾年，我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的農(nóng)作物遙感監(jiān)測技術(shù)無法滿足現(xiàn)實需求，衛(wèi)星光學(xué)遙感監(jiān)測成本高且容易受到云層遮擋，人工地面采集數(shù)字圖像技術(shù)無法滿足空間和時間分辨率要求，而且人工花費成本大、耗時耗力、效率低[12]。

低空無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展彌補(bǔ)了這些問題，不僅能解決衛(wèi)星監(jiān)測成本高、受云層阻擋的問題，還大大釋放勞動力。低空無人機(jī)移動輕便快捷，對環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以更好的代替人工在特殊環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測工作，提高了工作效率。我國已經(jīng)將小型低空無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)運用在冬小麥覆蓋率的研究方面，獲得數(shù)據(jù)可分析冬小麥覆蓋率的變化，農(nóng)田管理者根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行更好的區(qū)域管理[13]。

2.3 無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)在病蟲災(zāi)害防治中的應(yīng)用

農(nóng)作物的病蟲防治工作是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中重要的組成部分，也是決定農(nóng)作物收成的重要因素，因此對農(nóng)作物進(jìn)行病蟲災(zāi)害監(jiān)測工作尤為重要，監(jiān)測質(zhì)量的好壞主要取決于監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量和信息分析處理方式。無人機(jī)遙感技術(shù)是新興科技技術(shù)，通過搭載高清攝像頭完成對大面積農(nóng)作物的拍攝作業(yè)，通過分析圖像信息獲取土壤信息和作物的環(huán)境信息[14]。此外，結(jié)合農(nóng)作物的光譜信息、農(nóng)產(chǎn)品的色彩和紋理特征圖像分析，獲得農(nóng)作物的病蟲災(zāi)害情況和受災(zāi)面積分布信息，農(nóng)田管理者根據(jù)分析的資料信息可以全面快速了解受災(zāi)情況，及時作出防災(zāi)救災(zāi)措施。無人機(jī)靈活便捷、反應(yīng)迅速等特點在災(zāi)害預(yù)防控制方面，可以快速采集信息，傳輸至計算機(jī)分析數(shù)據(jù)，幫助農(nóng)田管理者掌握病蟲災(zāi)害情況并開展防治工作。圖3 為無人機(jī)通過高光譜和多源光譜遙感技術(shù)對松林線蟲病染病樹木進(jìn)行監(jiān)測[15]。

圖3 光譜分析圖

無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)通過搭載信息傳感器，對農(nóng)作物進(jìn)行拍攝，將圖像進(jìn)行對比分析，或者是根據(jù)作物在不同生長狀態(tài)下能反射不同波長電磁波的原理，進(jìn)行實時監(jiān)測作物狀態(tài)。黃耀歡等[14-15]應(yīng)用小型低空無人機(jī)遙感技術(shù)，分析了受到不同類型災(zāi)害的森林樹木反射光譜特性，研究發(fā)現(xiàn)受到災(zāi)害類型不同的樹木在特征波長反射上存在差異。同樣無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)可運用于小麥條銹病的監(jiān)測，通過無人機(jī)搭載的傳感器監(jiān)測影像波段信息，進(jìn)行實時監(jiān)測生長情況[16]。

2.4 無人機(jī)遙感技術(shù)在精準(zhǔn)施肥中的應(yīng)用

目前我國的農(nóng)業(yè)還處于粗放型農(nóng)業(yè)階段，主要采用統(tǒng)一施撒的傳統(tǒng)播種方式，單純憑借農(nóng)田管理者的經(jīng)驗之談，不考慮土壤條件、農(nóng)作物的生長狀態(tài)等情況，從而導(dǎo)致一些肥料浪費和各種偏差。通過無人機(jī)技術(shù)可以實現(xiàn)更加精細(xì)化的施肥，達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目標(biāo)，通過無人機(jī)遙感技術(shù)，把需要施肥的農(nóng)田通過無人機(jī)掛載的多光譜相機(jī)采集影像，然后將影像通過Pix4Dfields 軟件全自動處理后，生成NDVI（歸一化植被指數(shù)），從而分析出當(dāng)前農(nóng)作物的長勢和目前土壤條件，最后創(chuàng)建處方圖，得到最佳的施肥方案，減少不必要的浪費，降低化學(xué)肥料對環(huán)境的不利影響，最終達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的。

2.5 無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

眾所周知，農(nóng)業(yè)保險理賠中最棘手的問題就是難勘察和難定損，將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)保險理賠中，能有效解決上述問題。無人機(jī)配備高清攝影頭，不受地形環(huán)境的限制起飛降落，飛行軌跡靈活便利，具有高時效性，提高理賠勘測的工作效率，節(jié)約成本，并且高清攝像頭拍攝能保障農(nóng)田賠付的準(zhǔn)確性。圖4 為農(nóng)險業(yè)務(wù)勘測。

圖4 農(nóng)險業(yè)務(wù)勘測

耕地面積減少，人口不斷增長，全球糧食問題日益嚴(yán)峻，農(nóng)田管理規(guī)劃是生產(chǎn)勞作的重要部分。目前存在的農(nóng)田管理系統(tǒng)主要分為2 種方式，一是有線傳輸傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，二是無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。這2 種方式都存在各自的優(yōu)缺點，有線傳輸范圍受限，搭建成本較高，但能持續(xù)穩(wěn)定工作；無線傳輸范圍廣，對設(shè)備要求高，但容易受到干擾。低空無人機(jī)技術(shù)配置高清4 k 相機(jī)、近紅外設(shè)備與地面控制基站監(jiān)測系統(tǒng)，能全方位的監(jiān)測農(nóng)田區(qū)域，成本低、監(jiān)測面積廣闊，能夠?qū)崟r監(jiān)測，農(nóng)田管理者可以更加直觀觀察到農(nóng)田信息，使得管理更加人性化、立體化且更具經(jīng)濟(jì)效益[17]。

我國農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)走上信息化、機(jī)械化生產(chǎn)之路，隨著無人機(jī)技術(shù)等高新科技的不斷融入，我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展將邁上新的臺階，我國的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)程發(fā)展將更上一層樓。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)情監(jiān)測中的優(yōu)勢

無人機(jī)通過搭載各類型的傳感器設(shè)備實現(xiàn)遙感監(jiān)測功能，在農(nóng)情監(jiān)測方面，低空無人機(jī)優(yōu)勢顯著，因其靈活輕便，不受環(huán)境因素影響，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以在復(fù)雜、危險的種植環(huán)境下替代人工監(jiān)測作業(yè)，可極大避免農(nóng)作物的損失和節(jié)約人力勞動成本。無人機(jī)體積輕巧，方便攜帶，尤其在高山、丘陵森林等復(fù)雜地形環(huán)境凸顯優(yōu)勢，不需要架設(shè)大型設(shè)備，也不需要搭建網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，減少不必要的成本支出，可以方便快捷、準(zhǔn)確地獲得所需數(shù)據(jù)資料。傳感器是無人機(jī)遙感技術(shù)的關(guān)鍵部件，不同的傳感器會影響無人機(jī)遙感的效果。表1 為無人機(jī)搭載的傳感器優(yōu)缺點總結(jié)[18]，伴隨著信息化的迅速發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)作為高新科技技術(shù)，在各行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，尤其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢凸顯。

表1 無人機(jī)搭載的傳感器優(yōu)缺點

4 無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測應(yīng)用中存在的問題

4.1 飛行平臺穩(wěn)定性需進(jìn)一步完善

無人機(jī)的飛行技術(shù)平臺在近幾年發(fā)展迅速，也有一定的成就，但是在低空無人機(jī)遙感監(jiān)測作業(yè)過程中，還是會受到飛行平穩(wěn)狀態(tài)和智能傳輸數(shù)據(jù)等方面的局限。無人機(jī)的承載能力、搭載的傳感器精度、自身動力電池續(xù)航等因素，都會影響無人機(jī)監(jiān)測的實用性[19]。無人機(jī)對作業(yè)環(huán)境也有一定的要求，不能在強(qiáng)風(fēng)下雨天氣開展監(jiān)測工作，這將會導(dǎo)致其適用性降低。目前市面上大多數(shù)的無人機(jī)抗風(fēng)能力在風(fēng)力4 級以下，盡管在一般的天氣狀態(tài)下能起飛作業(yè)，但是因飛行過程中的機(jī)身抖動、飛行狀態(tài)不平穩(wěn)等因素，獲得的數(shù)據(jù)信息會有較多的噪點，后期圖像數(shù)據(jù)處理分析需要消耗大量的技術(shù)和人力成本，其信息的準(zhǔn)確性也大打折扣，無法實現(xiàn)精準(zhǔn)還原結(jié)果。這些都是影響監(jiān)測準(zhǔn)確的因素，所以無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測上有所局限。

4.2 無人機(jī)載荷能力有限，難以實現(xiàn)多源信息采集

無人機(jī)體積輕巧靈活，但其載荷能力有限，無法搭載太多的設(shè)備，因此無人機(jī)遙感系統(tǒng)配備單一的傳感器無法滿足全面、準(zhǔn)確的反應(yīng)農(nóng)田和農(nóng)作物的信息。低空無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)需要解決各種遙感信息如何綜合呈現(xiàn)、如何提高精準(zhǔn)度、拓展農(nóng)作物和農(nóng)田的監(jiān)測范圍等問題[20]。目前，專家學(xué)者研究多源數(shù)據(jù)進(jìn)行同步監(jiān)測農(nóng)田土地信息，如高林等[21]通過數(shù)碼影像與高光譜成像相結(jié)合方式進(jìn)行綜合估算玉米生物產(chǎn)量。但目前多源數(shù)據(jù)分析農(nóng)作物的研究信息不多，在更為復(fù)雜的農(nóng)田土地環(huán)境，數(shù)據(jù)來源更是需要多方面的，不僅局限于2個傳感器。因此無人機(jī)的使用有一定的限制，需要更進(jìn)一步的完善[22]。

無人機(jī)監(jiān)測農(nóng)情信息中，只能進(jìn)行單一時段的數(shù)據(jù)監(jiān)測，無法監(jiān)測農(nóng)作物過程中不同時間段的生長發(fā)育情況。因為農(nóng)作物在不同生長周期，其光譜和紋理不同，所以無人機(jī)很難獲取多個連續(xù)生長周期數(shù)據(jù)，其反演數(shù)據(jù)少、不具代表性，難以準(zhǔn)確體現(xiàn)農(nóng)作物的實際生長情況。因此需要建立動態(tài)模型進(jìn)行監(jiān)測農(nóng)作物生長連續(xù)過程。無人機(jī)通過低空獲取數(shù)據(jù)后對農(nóng)作物進(jìn)行反演、預(yù)測農(nóng)作物產(chǎn)量等各種生長指標(biāo)參數(shù)的模型只能通過以往的經(jīng)驗為主。所以無人機(jī)低空監(jiān)測存在一定不足，還需研發(fā)更高效的地物識別、信息獲取和分析模型，并且形成一定的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

無人機(jī)遙感技術(shù)擁有輕便靈活、低空精準(zhǔn)監(jiān)測等優(yōu)點，尤其在空間尺度和精度上有著明顯的優(yōu)勢，特別適用于中尺度的農(nóng)田土地資源信息的快速獲取。在未來，隨著無人機(jī)遙感技術(shù)整體的加速發(fā)展，在飛行平臺、機(jī)載多源設(shè)備獲取信息技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘分析、建模技術(shù)等方面發(fā)展完善后，無人機(jī)低空遙測農(nóng)情技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V泛應(yīng)用，我國的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展必將迎來新階段。