輕小型無人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究

雷 劍

(三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000)

引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是在現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，其核心技術(shù)是地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和計算機(jī)自動控制技術(shù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是將遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計算機(jī)技術(shù)、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)等高新技術(shù)與地理學(xué)、農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物生理學(xué)、土壤學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對農(nóng)作物、土壤從宏觀到微觀的實時監(jiān)測，生成動態(tài)空間信息系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)象進(jìn)行模擬，達(dá)到合理利用農(nóng)業(yè)資源，改善生態(tài)環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)品和質(zhì)量的目的。實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，必將對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。本文將輕小型無人機(jī)遙感技術(shù)引入其中，使該技術(shù)的作用在相關(guān)方面中充分體現(xiàn)，并從以下方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)簡述

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展新趨勢，需要借助信息技術(shù)對其進(jìn)行輔助運(yùn)行，工作期間的定位與定量工作則需要空間變異來引導(dǎo)。實際上，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以農(nóng)作物生長的土壤為基礎(chǔ)，對農(nóng)作物進(jìn)行耕種作業(yè)期間的人為因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。在進(jìn)行耕種前，需要對土壤中原本微量元素含量與生產(chǎn)力進(jìn)行調(diào)查，這類調(diào)查需要在土壤發(fā)生變異前完成，并且保證結(jié)果真實有效。需要對農(nóng)作物目標(biāo)產(chǎn)量進(jìn)行明確，以目標(biāo)為基礎(chǔ)，對定位實施系統(tǒng)診斷與科學(xué)化管控，促使土壤生產(chǎn)力調(diào)節(jié)到能夠滿足目標(biāo)需求狀態(tài)，利用最小的投入來獲取更大的收益。除此之外，可以對環(huán)境起到一定的改善作用，并對各類農(nóng)業(yè)資源全面高效應(yīng)用，有效獲取相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益或環(huán)境效益[1]。

由于環(huán)境污染現(xiàn)象的加劇以及農(nóng)業(yè)資源出現(xiàn)明顯匱乏，使得農(nóng)業(yè)開始向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向不斷轉(zhuǎn)變，這樣不僅可以使農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力明顯提升，還可以使優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)且環(huán)保的持續(xù)化發(fā)展農(nóng)業(yè)能夠有效實現(xiàn)。

2 輕小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)概述

2.1 構(gòu)成單元

全面分析輕小型無人機(jī)的遙感系統(tǒng)可知，其構(gòu)成單元相對繁雜，不僅將相關(guān)的傳感器和自動化飛行平臺等囊括其中，還包括了必要的地對空控制操縱系統(tǒng)以及無人機(jī)影像傳輸處理系統(tǒng)等。一般情況下，可以將無人駕駛飛行器劃分成不同類型，如多旋翼無人機(jī)。一般來講，小型無人機(jī)通常搭載的設(shè)備需要控制在15kg以內(nèi)，并且飛行高度要低于3000m，同時飛行過程中的最大速度需要控制在33m·s-1范圍內(nèi)。當(dāng)應(yīng)有情景和需求發(fā)生改變時，要對不同類型的傳感器進(jìn)行選擇，從而使相關(guān)遙感數(shù)據(jù)得到有效的獲取。除此之外，分析輕小型無人機(jī)可知，該無人機(jī)會受到一定的約束，尤其在荷載能力等方面，使得遙感傳感器對相應(yīng)的需求也要有效滿足，如質(zhì)量相對較輕、功耗相對較小等[2]。當(dāng)前，得到普遍應(yīng)用的無人遙感傳感器以激光雷達(dá)等為主。在數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)的輔助下，可以形成相應(yīng)遙感影像，同時也可以使相關(guān)模型以及光譜指數(shù)等有效形成。這些都屬于遙感產(chǎn)出結(jié)果，并且這些結(jié)果能夠在農(nóng)作物調(diào)查以及產(chǎn)量評估等方面有效應(yīng)用。

2.2 工作流程

輕小型無人機(jī)遙感在工作中獲取目標(biāo)信息共計分為以下3個不同階段：前期準(zhǔn)備階段。在該階段之中，需要對飛行空域申請、飛行條件判定等工作有效完成。同時無人機(jī)遙感在起飛之前對區(qū)域內(nèi)信息進(jìn)行了廣泛收集，包括地區(qū)地形以及地區(qū)范圍內(nèi)的環(huán)境等，且還會對完成飛行任務(wù)后的著落點(diǎn)進(jìn)行事先調(diào)查，以此確定相應(yīng)的降落點(diǎn)。另外，飛行前工作人員還會對無人機(jī)設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以滿足對于影像重疊度以及分辨率的需要；數(shù)據(jù)獲取階段，本階段需要無人機(jī)操縱者按照既定參數(shù)執(zhí)行飛行任務(wù)，依據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)及時進(jìn)行調(diào)整；后期數(shù)據(jù)處理階段，該階段核心任務(wù)是將采集到的圖像運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理，最終形成完整產(chǎn)品[3]。

3 輕小型無人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 在監(jiān)測農(nóng)田空間信息方面應(yīng)用

在監(jiān)測農(nóng)田空間信息方面引入輕小型無人機(jī)遙感，不僅可以有效完成采集農(nóng)田地塊地理坐標(biāo)信息工作，還可以使農(nóng)田中所種農(nóng)作物得到有效分類。當(dāng)這2方面的數(shù)據(jù)有效融合，可以對農(nóng)作物實際種植面積有效計算，以此來使計算的精準(zhǔn)度明顯提升。與此同時，在農(nóng)田空間信息監(jiān)測中，可以對無人機(jī)平臺攜帶的高清數(shù)碼相機(jī)等傳感設(shè)備有效應(yīng)用，以此對農(nóng)田空間信息進(jìn)行高效精準(zhǔn)的識別和判斷[4]。除此之外，隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，使得農(nóng)田空間信息分辨率也隨之大幅度提升，從而使農(nóng)田空間監(jiān)測數(shù)據(jù)的精細(xì)化程度不斷提升。

3.2 農(nóng)作物識別和精細(xì)分類

開展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要大量數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)，因此在前期需要對農(nóng)作物進(jìn)行生物識別、選擇性提前、精細(xì)分類，此后才能順利開展農(nóng)作物種植面積計算以及作物分析工作。輕小型無人機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時，其遙感技術(shù)是人工調(diào)查方法難以比擬的，不僅工作效率高而且信息實時回傳快，能夠有效節(jié)約人力成本開支。雖然從一定角度來講使用衛(wèi)星遙感對農(nóng)田進(jìn)行識別效率更高，但由于對農(nóng)作物細(xì)節(jié)信息收集能力較弱，并且太空與地面之間存在眾多干擾，實際應(yīng)用效果與無人機(jī)存在較大差異，后者能夠更好地完成作物信息獲取任務(wù)。

3.3 在監(jiān)測農(nóng)作物生產(chǎn)狀態(tài)方面的應(yīng)用

對農(nóng)作物表型參數(shù)信息全面監(jiān)測，監(jiān)測的重點(diǎn)以葉面積指數(shù)為主，即單位農(nóng)田地表之中單面綠葉面積的總和，以此來對農(nóng)作物光合作用的效果全面反映。輕小型無人機(jī)遙感能夠在多光譜數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，對地表農(nóng)作物種植指數(shù)全面探測，同時對光譜參數(shù)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)有效提取，以此來使地表植被指數(shù)得到有效計算，從而使相關(guān)模型構(gòu)建得以完成。近年來，該技術(shù)在空間構(gòu)型方面的測量中有效應(yīng)用；對農(nóng)作物生長構(gòu)成中營養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)信息有效獲取，不同農(nóng)作物之間具有差異性光譜反射吸收特點(diǎn)，輕小型無人機(jī)遙感技術(shù)可以對該特點(diǎn)有效應(yīng)用，以此診斷和判別不同類型農(nóng)作物中的相關(guān)信息指標(biāo)，如氮素含量等，如葉綠素在藍(lán)紫光和紅光中能夠發(fā)揮較強(qiáng)的吸收性特點(diǎn)，可以通過對顏色信息全面分析，對農(nóng)作物營養(yǎng)情況開展全面探究，目前，相對成熟的研究成果是利用葉綠素含量作為指標(biāo)來構(gòu)建的預(yù)測模型[5]；監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量，目前的絕大多數(shù)研究都是在多因素綜合分析基礎(chǔ)上，不斷向高預(yù)測精度的產(chǎn)量預(yù)估技術(shù)發(fā)展過渡。在對農(nóng)作物監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采樣工作全面開展時，在不同空間尺度的基礎(chǔ)上，對高光譜信息數(shù)據(jù)全面獲取，并完成農(nóng)作物指數(shù)和產(chǎn)量模型的構(gòu)建。該模型根據(jù)精度曲線變化規(guī)律完成相應(yīng)預(yù)測，從而有效得出最適宜農(nóng)田空間尺度面積。

3.4 田塊尺度的估產(chǎn)

實行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的是提高農(nóng)作物產(chǎn)量，因此在進(jìn)行種植期間需要對整體產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)估，必要時針對突發(fā)變化還需要對預(yù)估產(chǎn)值進(jìn)行調(diào)整。農(nóng)作物自身不同部分向空中反射不同的光譜，輕小型無人機(jī)的遙感系統(tǒng)能夠?qū)ζ溆行нM(jìn)行獲取，從而獲得作物生長信息，構(gòu)建出生長信息與產(chǎn)量之間的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對產(chǎn)量進(jìn)行科學(xué)預(yù)估。同時，利用輕小型無人遙感在農(nóng)作物生長期間對其生長情況進(jìn)行動態(tài)化檢測，從而幫助種植人員全面掌握農(nóng)作物生長情況，利用所監(jiān)測的數(shù)據(jù)對農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)判，不但可以提高預(yù)判結(jié)果和預(yù)測模型的精準(zhǔn)度，同時還可以幫助種植人員適當(dāng)調(diào)整農(nóng)作物生長營養(yǎng)需求方案。

遙感技術(shù)通常以光譜反射率作為對農(nóng)田產(chǎn)量預(yù)估時的計算參數(shù)，有時也會采用植被指數(shù)。輕小型無人機(jī)通常進(jìn)行低空作業(yè)，而在進(jìn)行農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)算或生物總量估算時，可以對高空分辨率采集的影像進(jìn)行獲取，從而完成相關(guān)作業(yè)。

3.5 在監(jiān)測影響農(nóng)作物生長因素方面的應(yīng)用

在對影響農(nóng)作物生長的因素進(jìn)行監(jiān)測時，需要利用到輕小型無人遙感，重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)容包括：在對農(nóng)田濕度進(jìn)行監(jiān)測時，要對熱紅外監(jiān)測技術(shù)全面應(yīng)用，當(dāng)農(nóng)田中的農(nóng)作物密度處于較高水平時，農(nóng)作物就會將葉片氣孔調(diào)整到關(guān)閉狀態(tài)，使升騰作用產(chǎn)生的水土流失問題進(jìn)行降到最低，這對于增加農(nóng)田內(nèi)地表熱通量有著重要作用，同時導(dǎo)致農(nóng)作物冠層溫度加速上漲，此時要不斷加強(qiáng)對裸露土壤的注意力，當(dāng)前眾多工作人員在進(jìn)行實際工作或研究中都將工作目標(biāo)和重點(diǎn)放在裸土溫度和農(nóng)作物地表覆蓋度之上，這樣不僅能夠?qū)β阃烈蛩剡M(jìn)行全面獲取，還能夠讓裸土因素在冠層監(jiān)測數(shù)據(jù)中所產(chǎn)生的影響更加明顯，進(jìn)而有效完成農(nóng)田濕度監(jiān)測工作；監(jiān)測病蟲害，利用紅外光譜的發(fā)射效果，全面探測病蟲害和植物生長狀態(tài)之間的關(guān)系，對農(nóng)作物葉片處于紅外區(qū)域時，研究的重點(diǎn)以柵欄組織狀況為主，當(dāng)病蟲害出現(xiàn)時，柵欄組織會呈現(xiàn)枯萎的態(tài)勢，這樣在成像過程中，就會有一定的缺失現(xiàn)象出現(xiàn)，使成像的完整性受到影響[6]；其它影響因素信息，監(jiān)測農(nóng)藥的使用效果，全面分析植被覆蓋指數(shù)，對農(nóng)作物成熟期葉片的老熟程度有效判斷，并在此基礎(chǔ)上合理化判斷施加的農(nóng)藥效果，從而使農(nóng)藥使用過量現(xiàn)象得到有效杜絕。

4 輕小型無人機(jī)遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展趨勢

4.1 搭建高效便捷成本低廉的技術(shù)平臺

從無人機(jī)操作平臺的角度來講，想要使平臺穩(wěn)定性提升，先要提升平臺和傳感器之間的穩(wěn)定系數(shù)，以此來明顯提升相應(yīng)的監(jiān)測水平。對目前的輕小型無人遙感來講，不良因素不僅包括成本較高且運(yùn)行欠缺穩(wěn)定性，還因為操控平臺設(shè)計存在復(fù)雜性、對專業(yè)人員過度依賴等現(xiàn)象存在，從而使其在農(nóng)田監(jiān)測中的應(yīng)用被限制。想要使這樣的現(xiàn)象得到改善，就要對高效便捷且成本低廉的無人機(jī)技術(shù)平臺全面構(gòu)建，這也是未來的趨勢所在。

4.2 輕小型無人機(jī)遙感信息處理自動化和智能化

針對指定物質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)與影像資料，都可以使用輕小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行獲取，通過對該影像進(jìn)行分析時可知，影像之中通常會存在幅寬較小、傾角無法保持重疊等現(xiàn)象，這樣導(dǎo)致相關(guān)工作的難度系數(shù)明顯增大，如影像校正。因此，輕小型無人機(jī)遙感技術(shù)的主要環(huán)節(jié)以實現(xiàn)影像自動化預(yù)處理為主，以此來使獲取的影像質(zhì)量明顯提高。

當(dāng)前，該方面的研究以簡單遙感獲取信息為主，并將重點(diǎn)都放在光譜特征反演農(nóng)作物參數(shù)之上，同時對遙感信息和農(nóng)作物生長參數(shù)之間的關(guān)系有效構(gòu)建。但由于模型的準(zhǔn)確性存在限制，從而使該遙感的使用區(qū)域受到限制。因此，在之后的研究中，要加強(qiáng)對該遙感的智能化和自動化的重視，如快速解析作物生長信息等。當(dāng)該獲取和解析技術(shù)向全面化方向發(fā)展時，不僅為農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型提供思路，還可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供重要的支撐。

4.3 實施周期性監(jiān)測農(nóng)作物生長情況

為了使農(nóng)田監(jiān)測精準(zhǔn)性顯著提升，可以有效應(yīng)用輕小型無人機(jī)遙感。但是在應(yīng)用的過程中會出現(xiàn)周期性或連續(xù)性不足的問題。周期性以及連續(xù)性是農(nóng)作物生長過程中的主要特征之一，當(dāng)農(nóng)作物處于不同階段時，相關(guān)參數(shù)指標(biāo)也明顯不同，當(dāng)在構(gòu)建相關(guān)模型時只利用單一參數(shù)時，就會導(dǎo)致該模型的全面性以及代表性明顯不足。以棉花為例分析可知，在構(gòu)建模型時將參數(shù)設(shè)定成不同生育期適應(yīng)性時，要對各個階段的信息進(jìn)行分開分析和處理。同時監(jiān)測農(nóng)作物的同一生長參數(shù)時，由于生長周期的差異，使得相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)也存在明顯的不同。由此可知，農(nóng)作物生長周期和連續(xù)性信息數(shù)據(jù)成為輕小型無人機(jī)遙感技術(shù)未來的研究重點(diǎn)，利用周期性監(jiān)測的方式，使監(jiān)測的準(zhǔn)確度得到全面提升。

5 結(jié)束語

從本文的論述中可知，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用輕小型無人機(jī)遙感具有十分重要的作用，可以對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理所需的數(shù)據(jù)有效獲取，并使農(nóng)業(yè)不斷向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有效轉(zhuǎn)變。除此之外，無人機(jī)遙感可以在田間尺度估產(chǎn)、農(nóng)作物生長狀態(tài)監(jiān)測等方面有效應(yīng)用，使得多方面數(shù)據(jù)能夠有效融合，并為田間精準(zhǔn)作業(yè)提供一定的指導(dǎo)，從而為農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。