基于無人機(jī)影像技術(shù)的小麥長勢遙感監(jiān)測

鄭復(fù)承

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

前言

小麥在我國糧食消費總量中占據(jù)較大的比重，受耕地面積減少、氣候環(huán)境復(fù)雜及需求量增加的影響，小麥實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的任務(wù)更加艱巨。小麥長勢監(jiān)測對實現(xiàn)小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和高質(zhì)量具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的小麥長勢監(jiān)測大多依靠現(xiàn)場調(diào)查、人工采樣和生化分析等手段進(jìn)行，監(jiān)測效率低、監(jiān)測范圍有限，還需要投入大量的人力物力，且長勢監(jiān)測存在一定的滯后性和破壞性。在信息化時代發(fā)展中，對小麥生產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化管理監(jiān)測是保證小麥產(chǎn)量的重要保障。隨著科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新研發(fā)，越來越多的農(nóng)業(yè)地區(qū)開始應(yīng)用無人機(jī)影像技術(shù)對小麥長勢進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測，大幅度加強(qiáng)小麥長勢監(jiān)測工作效率與質(zhì)量。

1 無人機(jī)影像技術(shù)概述

1.1 無人機(jī)類型與特點

無人機(jī)影像技術(shù)中常見的無人機(jī)類型主要包括固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)與無人直升機(jī)3種。固定翼無人機(jī)是指通過動力裝置產(chǎn)生推動力或前進(jìn)力，固定機(jī)翼生成上升力確保無人機(jī)能夠在空中順利航行的航空裝置，具有工作效率高、續(xù)航時間長、航行速度快等特點，但是固定翼無人機(jī)對起飛降落要求相對較高，同時無法進(jìn)行空中懸停作業(yè)，在快速航攝過程中容易出現(xiàn)影像模糊問題。多旋翼無人機(jī)是指擁有3個軸以上的旋翼無人機(jī)，具有裝置結(jié)構(gòu)簡單、能夠懸停作業(yè)、起飛降落要求較低以及利用GPS航攝等優(yōu)點，但是多旋翼無人機(jī)飛行速度相對較慢，同時存在載荷能力弱與續(xù)航時間短的缺點[1]。多旋翼無人機(jī)是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的無人機(jī)類型，能夠依據(jù)航攝需求與場地環(huán)境等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。無人直升機(jī)是指具有單旋翼和尾部螺旋槳的直升機(jī)，其對起降場地環(huán)境要求相對較低，能夠進(jìn)行空中懸停作業(yè)，具有載荷能力強(qiáng)、續(xù)航時間久的特點，但是無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用維護(hù)成本較高，同時需要操作人員具有較高的專業(yè)能力，因此在農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測工作中極少運用。

1.2 傳感器類型與特點

無人機(jī)影像技術(shù)中搭載的傳感裝置主要有5種，即高清相機(jī)、熱成像相機(jī)、多光譜相機(jī)、高光譜成像裝置以及激光雷達(dá)。高清相機(jī)擁有體積小、價格低廉、影像分辨率高以及整體重量較輕等優(yōu)點，能夠有效獲取到分辨率較高的RGB影像信息，通過分析研究影像信息能夠快速了解到作物長勢。高清相機(jī)對天氣環(huán)境要求較低，能夠在陰天條件下正常工作，是精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的重要研究對象。熱成像相機(jī)是指通過發(fā)射紅外線對農(nóng)作物進(jìn)行探測監(jiān)測，具有影像精度高、成像速度快、反應(yīng)靈敏的特點，熱成像相機(jī)主要應(yīng)用在作物冠層溫度監(jiān)測工作中，冠層溫度能夠間接反映出作物長勢與蒸騰信息。多光譜相機(jī)具有多個波段通道，與普通高清相機(jī)相比能夠?qū)ψ饔瞄L勢、產(chǎn)量以及營養(yǎng)情況等作物性狀進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測與診斷。高光譜成像裝置是指利用波段較窄的電磁波監(jiān)測作物以獲取作物光譜信息，從而幫助農(nóng)業(yè)人員對作物葉綠素含量、營養(yǎng)狀態(tài)、水含量、蛋白質(zhì)含量以及葉片面積等信息進(jìn)行預(yù)測判斷。但是高光譜成像裝置會隨著分辨率的提升而出現(xiàn)冗余現(xiàn)象和噪聲干擾等問題，增加數(shù)據(jù)信息分析處理難度[2]。激光雷達(dá)能夠快速獲取監(jiān)測目標(biāo)表面模型信息，擁有抗干擾能力強(qiáng)、分辨率較高等優(yōu)點。但是，激光雷達(dá)成本相對較高，操作流程相對復(fù)雜，主要應(yīng)用于森林資源與自然環(huán)境監(jiān)測工作中，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中極少應(yīng)用。

2 無人機(jī)影像技術(shù)對小麥長勢遙感監(jiān)測的應(yīng)用

2.1 小麥葉綠素含量監(jiān)測

葉綠素是小麥吸收與利用太陽能的重要載體，小麥葉片中的葉綠素含量與小麥光合能力緊密相連，小麥葉綠素含量能夠直接反映出氮素營養(yǎng)狀況與光合作用能力，在小麥生長過程中常用于評價營養(yǎng)情況與逆環(huán)境中的傷害程度。胡蘿卜素、葉綠素a和葉綠素b等會吸收不同波長的太陽光，因此，通過對小麥冠層反射光譜進(jìn)行遙感監(jiān)測能夠在一定程度上監(jiān)測到小麥葉綠素含量與具體組成情況[3]?，F(xiàn)階段的小麥葉綠素含量監(jiān)測工作主要是指建立作物指數(shù)與葉綠素含量之間的回歸關(guān)系或冠層光譜參數(shù)。如，為研究水澆地環(huán)境與干旱地環(huán)境中小麥生長期間葉片葉綠素含量的變化規(guī)律，可以利用無人機(jī)遙感技術(shù)對小麥拔節(jié)期間光譜影像信息進(jìn)行監(jiān)測獲取，通過提取4個不同波段下的小麥冠層光譜影像，從中選取與SPAD值(葉綠素相對含量)具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的7項作物指標(biāo)，建立作物指數(shù)與SPAD值的一元線性回歸模型與多元模型。通過對數(shù)據(jù)模型的分析驗證能夠?qū)π←湴喂?jié)期間葉綠素含量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)判，從而幫助農(nóng)業(yè)人員了解小麥在田間環(huán)境中的營養(yǎng)情況，大幅度加強(qiáng)農(nóng)業(yè)管理效率與精準(zhǔn)性。

2.2 小麥葉面積指數(shù)監(jiān)測

小麥葉面積指數(shù)是評價小麥長勢、預(yù)測小麥產(chǎn)量的主要指標(biāo)數(shù)據(jù)之一，與小麥光能利用率息息相關(guān)，不同的葉面積指數(shù)對應(yīng)不同的光反射率。在使用無人機(jī)影像技術(shù)對小麥葉面積指數(shù)進(jìn)行監(jiān)測時，可以依據(jù)實際需求搭載高光譜、紅外線、熱成像、可見光等不同種類相機(jī)[4]。如，可以利用無人機(jī)搭載高光譜相機(jī)對小麥生長期間進(jìn)行光譜參數(shù)測定，進(jìn)而分析作物指數(shù)與葉面積指數(shù)、Hcsm之間的關(guān)聯(lián)性，從而選擇出最佳作物指數(shù)，并構(gòu)建單個參數(shù)的葉面積指數(shù)線性關(guān)系模型，最終提高葉面積指數(shù)的預(yù)判估算精確度。

2.3 小麥葉片生物量監(jiān)測

小麥葉片生物量能夠直觀反映出小麥的實際生長情況，與葉片光能利用率和產(chǎn)量息息相關(guān)，是小麥作物十分重要的生理參數(shù)，能夠有效監(jiān)測小麥生長趨勢，方便農(nóng)業(yè)人員預(yù)測小麥產(chǎn)量。傳統(tǒng)模式中的生物量測定主要選用破壞性采樣方法，時效性相對較差。而利用無人機(jī)技術(shù)搭載高光譜相機(jī)的遙感監(jiān)測方法具有數(shù)據(jù)信息量大、信息時效性強(qiáng)、光譜分辨率良好等優(yōu)點，能夠?qū)π←溔后w長勢進(jìn)行及時有效地監(jiān)測，從而加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)化。如，在利用高光譜相機(jī)獲取小麥作物光譜數(shù)據(jù)信息后，可以通過歸一化作物指數(shù)對小麥開花期間的生物量進(jìn)行精準(zhǔn)估算，同時能夠利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對小麥生物量預(yù)判精準(zhǔn)性進(jìn)行有效加強(qiáng)。此外，可以利用紅邊三角作物指數(shù)對小麥冠層生物量進(jìn)行有效估算。

2.4 小麥氮素含量監(jiān)測

氮元素是小麥生長發(fā)育期間必需的主要元素之一，如果氮素含量缺少，會直接影響到作物生長情況，如出現(xiàn)生長速度降低、長勢不良等現(xiàn)象；氮素過量則會導(dǎo)致作物出現(xiàn)晚熟、作物質(zhì)量下降等問題。利用無人機(jī)影像技術(shù)對小麥長勢進(jìn)行遙感監(jiān)測，能夠有效監(jiān)測控制小麥氮素含量情況，幫助農(nóng)業(yè)人員及時獲得小麥長勢情況與營養(yǎng)信息，同時將小麥長勢信息與時間因素相結(jié)合，為制定小麥養(yǎng)分優(yōu)質(zhì)栽培提供真實數(shù)據(jù)信息，以提升小麥氮素含量監(jiān)測的精確性與時效性。高光譜相機(jī)具有影像分辨率高和信息儲存量大的優(yōu)點，有效改善了傳統(tǒng)人工破壞采樣方法中存在的局限性和缺乏實效性的缺點，實現(xiàn)了對小麥作物進(jìn)行無損實時監(jiān)測的目的。通過對不同種類小麥品種在不同施氮情況下小麥葉片氮含量與冠層高光譜信息數(shù)據(jù)的測定分析，能夠探究出二者之間存在的參數(shù)關(guān)系，最終能夠確定給予紅邊面積構(gòu)建小麥氮含量監(jiān)測模型具有良好的預(yù)估精確度，紅邊參數(shù)能夠有效反映出小麥氮素營養(yǎng)情況[5]?？梢岳枚喙庾V相機(jī)對小麥生長期間進(jìn)行影像監(jiān)測，依據(jù)影像信息構(gòu)建小麥不同生長階段氮素含量指數(shù)的數(shù)據(jù)模型，從而能夠得出最終結(jié)論，幫助農(nóng)業(yè)人員掌握小麥實際長勢。利用壁紙光譜指數(shù)構(gòu)建的小麥氮素含量模型能夠有效提升模型數(shù)據(jù)精確度與穩(wěn)定度。此外，利用反演模型檢測技術(shù)同樣能夠提升小麥氮素含量監(jiān)測精確度，從而為農(nóng)業(yè)人員對小麥生長情況進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)提供理論基礎(chǔ)，推動精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。

2.5 小麥產(chǎn)量監(jiān)測

農(nóng)作物的實際產(chǎn)量是我國開展農(nóng)業(yè)相關(guān)政策制定與平衡糧食供需關(guān)系的重要依據(jù)，直接影響到國家安全與社會穩(wěn)定問題。而無人機(jī)影像技術(shù)能夠在短時間內(nèi)獲取較大區(qū)域內(nèi)的農(nóng)作物信息，且信息數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性與時效性，對相關(guān)部門開展農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測、宏觀調(diào)控、政策制定等具有重要的積極作用。隨著無人機(jī)影像技術(shù)的快速發(fā)展，在對小麥產(chǎn)量進(jìn)行研究分析時，可以利用無人機(jī)搭載高光譜相機(jī)獲取農(nóng)田小麥實際長勢情況，通過對高光譜反射率信息的研究分析，最終能夠明確小麥產(chǎn)量預(yù)測的敏感光譜圖像以及不同條件下的作物指數(shù)；利用無人機(jī)技術(shù)對不同生長階段的小麥進(jìn)行遙感監(jiān)測，構(gòu)建不同種類小麥產(chǎn)量實測線性模型，從而明確不同生長階段的小麥產(chǎn)量反演模型的精確度；利用作物水分指數(shù)、光合作用化學(xué)反射指數(shù)等作物指數(shù)預(yù)測小麥單產(chǎn)水平；利用小麥氮素含量指數(shù)將作物指數(shù)與小麥產(chǎn)量有效連接，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而構(gòu)建出小麥實際籽粒產(chǎn)量的預(yù)估模型；在小麥抽穗開花后運用歸一化作物覆蓋指數(shù)對小麥實際產(chǎn)量進(jìn)行有效預(yù)測。

2.6 小麥長勢品質(zhì)監(jiān)測

依據(jù)實際使用目的的差異可以將小麥品質(zhì)劃分成不同品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，如安全品質(zhì)、食味品質(zhì)、加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)以及衛(wèi)生品質(zhì)等。物質(zhì)會在不同力的作用下出現(xiàn)不同的反射特征，這些特征能夠間接反映出物質(zhì)內(nèi)部成分與結(jié)構(gòu)組成信息等。利用無人機(jī)影像技術(shù)對小麥品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測時主要通過對小麥冠層進(jìn)行光譜成像，在光譜影像中尋找和籽粒蛋白質(zhì)相關(guān)的信息指標(biāo)，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)模型對小麥品質(zhì)進(jìn)行預(yù)估，具體的預(yù)估時間需要依據(jù)小麥生長情況與品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確。在田間小麥生長發(fā)育后期，葉片全氮含量指數(shù)與小麥籽粒品質(zhì)具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此，可以用小麥生長后期葉片全氮含量反映小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與面筋情況[6]。如，通過無人機(jī)影像技術(shù)獲取小麥近地光譜信息，對小麥抽穗后冠層作物指數(shù)進(jìn)行研究分析，從而找到其與小麥籽粒蛋白質(zhì)和小麥淀粉含量之間的指數(shù)關(guān)系。

3 無人機(jī)影像技術(shù)在小麥長勢監(jiān)測中存在的問題與未來發(fā)展

現(xiàn)階段，無人機(jī)影像技術(shù)雖然在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中取得較大程度的推廣應(yīng)用，對無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，但是依然存在不足之處，如載荷能力較弱、安裝流程復(fù)雜、裝置成本價格高、穩(wěn)定性較弱等問題，在后期影像信息處理時也相對欠缺，缺乏足夠標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測規(guī)定，導(dǎo)致無人機(jī)影像技術(shù)實用性出現(xiàn)降低現(xiàn)象。除此之外，工作人員在開展無人機(jī)航攝前需要提前向相關(guān)部門申請無人機(jī)攝影飛行，審批流程相對復(fù)雜，審批周期時間較長，再加上低空飛行管制較為嚴(yán)格，國家相關(guān)管理制度與法律規(guī)定還存在一定的欠缺之處，導(dǎo)致無人機(jī)影像技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中受到一定程度的制約。未來發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)無人機(jī)影像技術(shù)研發(fā)力度，政府部門要對相關(guān)規(guī)定與監(jiān)管制度進(jìn)行完善優(yōu)化，同時降低無人機(jī)航攝飛行成本，以此為無人機(jī)影像技術(shù)在精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)發(fā)展中提供技術(shù)保障[7,8]。目前，無人機(jī)影像技術(shù)在小麥長勢監(jiān)測中的遙感模型大多是依據(jù)統(tǒng)計分析進(jìn)行，隨著地理區(qū)域、天氣環(huán)境和應(yīng)用尺度等發(fā)生變化，適用性與數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性可能會受到一定程度影響。在未來發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)遙感模型的適應(yīng)能力，確保其能夠在不同天氣環(huán)境、土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境中進(jìn)行小麥長勢預(yù)測評估，從而加快我國精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)建設(shè)進(jìn)程。

4 結(jié)論

無人機(jī)影像技術(shù)在精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有重要地位，在小麥長勢監(jiān)測中與傳統(tǒng)監(jiān)測模式相比擁有靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性好、時效性高等特點，能夠幫助工作人員及時有效地監(jiān)測了解小麥長勢情況，極大程度提高了小麥生產(chǎn)質(zhì)量與農(nóng)業(yè)管理效率，從而促進(jìn)我國小麥產(chǎn)量與質(zhì)量的全面進(jìn)步。