農(nóng)田灌溉管理中無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用

楊文兵

（南陵縣弋江鎮(zhèn)人民政府農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，安徽 蕪湖 242400）

0 引言

灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的內(nèi)容，其會(huì)對(duì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生不容忽視的影響，但傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉模式存在著很多問(wèn)題，如勞動(dòng)強(qiáng)度大、灌溉均勻性差以及資源利用效率低等，無(wú)法很好地滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的需求。將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)引入到農(nóng)田灌溉管理中，能夠避免人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)，為農(nóng)作物灌溉的信息化和一體化作業(yè)提供良好支撐。

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是一種能夠完成遙感信息采集、遙感數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建及應(yīng)用分析的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。在無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)中，集成了多種先進(jìn)技術(shù)，包括無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感遙測(cè)遙控技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等，其能夠有效獲取自然環(huán)境、國(guó)土資源等空間遙感信息。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有成本費(fèi)用低廉、影像獲取周期短、分辨率高及機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，也是未來(lái)主要的航空遙感技術(shù)之一。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)能夠以無(wú)人機(jī)作為空中平臺(tái)，借助相應(yīng)的遙感傳感器實(shí)現(xiàn)信息獲取，然后搭配計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像信息的處理工作，依照具體的工作需求完成圖像制作［1］。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)大致包含幾個(gè)組成部分，一是無(wú)人機(jī)平臺(tái)，可以將其分為旋翼型無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)，前者可以實(shí)現(xiàn)垂直起降和自由懸停，靈活性更強(qiáng)，但飛行高度較低，續(xù)航時(shí)間一般不超過(guò)30 min，適用于一些小范圍的測(cè)量任務(wù)。后者需要依靠相應(yīng)的發(fā)射器才能起飛，沿著預(yù)先設(shè)定好的航線(xiàn)飛行，可以直接降落，但安全性能差，容易損壞，因此在實(shí)際應(yīng)用中多借助降落傘降落。固定翼無(wú)人機(jī)的飛行高度高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，適用于大范圍的測(cè)量任務(wù)。二是地面遙測(cè)遙控系統(tǒng)。地面遙測(cè)遙控系統(tǒng)包括地面控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信裝置、數(shù)字式遙控器及DGPS 基準(zhǔn)站等，可以通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和遙測(cè)遙控軟件的相互結(jié)合，對(duì)無(wú)人機(jī)的航線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)也能夠完成對(duì)遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及飛行數(shù)據(jù)的更改等操作。三是機(jī)載傳感器?？梢源钶d在無(wú)人機(jī)上的傳感器類(lèi)型眾多，常見(jiàn)的有高光譜相機(jī)、多光譜傳感器及激光雷達(dá)等，這些傳感器普遍具有精度高、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的獲取和存儲(chǔ)［2］。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田灌溉管理中的應(yīng)用

2.1 灌溉區(qū)域識(shí)別

隨著我國(guó)土地政策的改革，傳統(tǒng)承包到戶(hù)、精耕細(xì)作的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐漸被集約化模式取代，對(duì)于農(nóng)田灌溉管理工作也提出了許多新的要求。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，灌溉在其中扮演了非常重要的角色，尤其是在農(nóng)業(yè)規(guī)模化種植形成后，作物灌溉的順利進(jìn)行需要完善的農(nóng)田水利設(shè)施作為支撐。從這個(gè)角度分析，在當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，農(nóng)田水利灌溉工程都會(huì)維持快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。在以往的農(nóng)業(yè)發(fā)展中，信息技術(shù)的應(yīng)用范圍相對(duì)狹窄，農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域的識(shí)別及相關(guān)信息（地形地貌、水文環(huán)境等）的收集一般都是采用人工收集的方式，工作效率低下且資源消耗巨大，即便如此，也無(wú)法有效保障數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。最近幾年，隨著空間信息技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域識(shí)別中得到了廣泛應(yīng)用，包括衛(wèi)星遙感技術(shù)和無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)。其中衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取的影像分辨率相對(duì)較低，而且數(shù)據(jù)信息的時(shí)效性相對(duì)較差［3］，無(wú)法很好地滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)水利灌溉建設(shè)及農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域信息采集的需求。與之相比，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)能夠在相對(duì)更短的時(shí)間內(nèi)獲取更加精準(zhǔn)的灌區(qū)面積、地形地貌等信息，幫助工程技術(shù)人員做好灌區(qū)面積的合理規(guī)劃以及水利灌溉工程的設(shè)計(jì)。以灌溉渠道的建設(shè)為例，借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)信息，能夠計(jì)算出管道經(jīng)過(guò)區(qū)域的地形高差，設(shè)計(jì)出科學(xué)的管道鋪設(shè)方案，以此來(lái)降低成本投入，減少施工工程量。

2.2 灌溉渠系維護(hù)

在農(nóng)田水利灌溉工程中，灌溉渠系及管網(wǎng)是最為核心的組成部分，而要想確保農(nóng)田灌溉管理的有效性，需要盡量縮短灌溉渠系和管網(wǎng)分布信息更新的周期。需要定期對(duì)管道進(jìn)行巡檢，及時(shí)對(duì)存在的缺陷和問(wèn)題進(jìn)行處理，以此來(lái)保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全。但是結(jié)合實(shí)際情況分析，農(nóng)業(yè)灌溉渠系和管網(wǎng)的分布范圍廣、線(xiàn)路長(zhǎng)，如果采用的是傳統(tǒng)人工巡線(xiàn)的方式，存在人力資源投入巨大、巡線(xiàn)時(shí)間長(zhǎng)［4］、巡線(xiàn)效率低等缺陷。而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)ι鲜鰡?wèn)題進(jìn)行解決。農(nóng)業(yè)灌溉渠系從大到小依次為干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠和毛渠，在使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別的過(guò)程中，必須做好圖像的預(yù)處理工作，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行顏色增強(qiáng)及顏色空間轉(zhuǎn)換，可以將原本的RGB圖像轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)AB 圖像，將目標(biāo)構(gòu)筑物的顏色和亮度清晰呈現(xiàn)出來(lái)。但是，在提取農(nóng)田渠系信息時(shí)，其數(shù)據(jù)來(lái)源相對(duì)單一，整體效果并不十分出眾，也使得后續(xù)的渠系制圖、泥沙淤積識(shí)別等存在較大難度。在新的發(fā)展環(huán)境下，隨著支持向量機(jī)分類(lèi)檢測(cè)方法的應(yīng)用，目標(biāo)識(shí)別的精度及特征提取的效率顯著提升，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在灌溉渠系識(shí)別及維護(hù)方面的應(yīng)用效果也得到了進(jìn)一步體現(xiàn)。在實(shí)踐中，應(yīng)該將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)收集到的各種數(shù)據(jù)信息如高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、正射影像等結(jié)合起來(lái)，豐富數(shù)據(jù)源的同時(shí)，從中提取出具備顯著特征的數(shù)據(jù)，建設(shè)訓(xùn)練樣本集，再依照支持向量機(jī)分類(lèi)檢測(cè)方法，做好渠系的分割提取，提取結(jié)果經(jīng)過(guò)去噪、優(yōu)化后，可以幫助相關(guān)工作人員對(duì)灌溉渠系的連續(xù)性進(jìn)行分析，準(zhǔn)確把握泥沙淤積段的具體情況，為后續(xù)清淤工作提供參考依據(jù)［5］。

2.3 作物干旱預(yù)警

土壤含水率與植被生長(zhǎng)情況可以將干旱與否直接反映出來(lái)，以無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)為支撐，能夠建立起農(nóng)作物干旱預(yù)警機(jī)制，幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員控制好灌溉的間隔，保證灌溉效果。具體來(lái)講，作物干旱預(yù)警機(jī)制應(yīng)該關(guān)注3 個(gè)核心數(shù)據(jù)。

2.3.1 作物含水率。干旱會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能出現(xiàn)作物大面積死亡的情況。借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，能夠?qū)r(nóng)作物的含水量進(jìn)行檢測(cè)，其基本原理是不同植物的含水率與特定波長(zhǎng)的反射率存在顯著相關(guān)性。一般情況下，特征波長(zhǎng)和植株含水率的相關(guān)性會(huì)受到環(huán)境溫度及光譜儀器等的影響，實(shí)際數(shù)值可能存在一定誤差，但這個(gè)誤差并不會(huì)影響其對(duì)于植物含水率的測(cè)量和反映。以玉米為例，其植株含水率和一些特定波長(zhǎng)（910、1 210、1 450、1 930 nm）的反射率都存在顯著的相關(guān)性，此相關(guān)性在1 450 nm波長(zhǎng)反射率中表現(xiàn)尤其明顯。相比之下，與小麥相關(guān)性存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)體現(xiàn)在3 個(gè)不同的波段，分別是900 ～1 000 nm 波段、1 400 ～1 500 nm 波段以及1 900 ～2 000 nm 波段。在借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)農(nóng)作物含水率進(jìn)行測(cè)量前，需要應(yīng)用相應(yīng)的近紅外遙感技術(shù)做好先期測(cè)量，然后利用濾波和校正的方式，得到作物的近紅外反射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，再結(jié)合測(cè)量得到的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建作物含水率檢測(cè)模型。使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)作物含水率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以將采集到的數(shù)據(jù)信息與模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比，判斷作物是否需要灌溉。

2.3.2 土壤含水率。土壤含水率的測(cè)定方式有很多，如近紅外遙感檢測(cè)、熱紅外遙感檢測(cè)等，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)同樣能夠被應(yīng)用到土壤含水率檢測(cè)中，只需要將微波發(fā)射器、紅外探測(cè)儀等安裝在無(wú)人機(jī)上，就可以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，建立起土壤含水率預(yù)測(cè)模型。在實(shí)際操作中，一方面，需要對(duì)土壤含水率與不同波段反射率的相關(guān)性進(jìn)行分析，找出相關(guān)性最顯著的波段，以此建立土壤含水率預(yù)測(cè)模型；另一方面，應(yīng)該對(duì)無(wú)人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、拼接及幾何校正處理，處理后的圖像數(shù)據(jù)可以和模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成完整的土壤含水率監(jiān)測(cè)體系。

2.3.3 蒸騰量計(jì)算。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以利用遙感數(shù)據(jù)和氣象因子來(lái)對(duì)太陽(yáng)輻射量、農(nóng)作物生長(zhǎng)情況等進(jìn)行估算，然后計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物的蒸騰量。相關(guān)研究表明，使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)針對(duì)較大范圍內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰量進(jìn)行分析具備良好的可行性和可靠性。在使用遙感數(shù)據(jù)從能量平衡的角度進(jìn)行蒸發(fā)蒸騰量估算時(shí)，需要計(jì)算出幾個(gè)核心數(shù)據(jù)，如土壤熱通量、地表凈輻射、感熱通量等，然后求解出潛熱通量，依照這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出較為準(zhǔn)確的蒸發(fā)蒸騰量。

2.4 種植結(jié)構(gòu)分類(lèi)

不同農(nóng)作物類(lèi)型有著不同的光譜特征。作物種植結(jié)構(gòu)分類(lèi)的基本原理，是依照植被光譜信息、葉面積指數(shù)信息等的差異性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同作物類(lèi)型的準(zhǔn)確識(shí)別。不同作物在相同生長(zhǎng)階段，又或者相同作物在不同生長(zhǎng)階段具有不同的光譜特征和空間特征，借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取的遙感影像能夠用于作物種植結(jié)構(gòu)的識(shí)別。在此過(guò)程中，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員需要對(duì)照遙感區(qū)域的光譜差異、對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別特征以及翻譯標(biāo)志進(jìn)行明確。例如，小麥在我國(guó)大部分區(qū)域都有種植，是一種非常重要的糧食作物，當(dāng)其處于分蘗期時(shí)，小麥植株會(huì)匍匐在地面上，從遙感影像中可以看到大面積的土壤裸露及秸稈殘留物；當(dāng)處于拔節(jié)期時(shí)，小麥的高度增大，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)于地表的覆蓋，遙感影像中幾乎看不到裸露土壤，能夠看到的只有垂直層陰影。因此，如果小麥處于分蘗期至拔節(jié)期，遙感影像會(huì)同時(shí)包含小麥、土壤及陰影3 個(gè)部分。當(dāng)小麥進(jìn)入成熟期后，葉片為綠色，植被可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地表的完全覆蓋，這種情況下陰影部分全部消失，光譜的圖像只有綠色的小麥。從乳熟期至完全成熟階段，小麥開(kāi)始從綠色變成黃色，光譜特征發(fā)生了很大變化。結(jié)合相應(yīng)的遙感影像分析，再使用綠光波配合近紅外波的反射率數(shù)值，結(jié)合歸一化差值獲取的植被指數(shù)，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遙感影像的快速分類(lèi)。如果在同一幅遙感圖像中存在有不同類(lèi)型的農(nóng)作物，需要對(duì)作物彼此之間在植被指數(shù)、空間特征及光譜特征方面的差異進(jìn)行分析，運(yùn)用逐級(jí)分層的方式做好分類(lèi)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物結(jié)構(gòu)類(lèi)型的準(zhǔn)確識(shí)別。

3 農(nóng)田灌溉領(lǐng)域無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田灌溉領(lǐng)域中的應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新，具體體現(xiàn)在4 個(gè)方面。一是專(zhuān)用遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)。不同作物的生長(zhǎng)對(duì)于水分需求不同，農(nóng)田灌溉管理也存在很大差異，可以通過(guò)整合無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)與GPS、GIS 等技術(shù)，構(gòu)建起專(zhuān)用的遙感系統(tǒng)，了解農(nóng)作物的實(shí)際生長(zhǎng)狀況，形成智能化的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。二是響應(yīng)機(jī)制的完善?？梢跃筒煌蕳l件下農(nóng)作物的生理生化指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，明確作物在不同時(shí)期對(duì)于水分及養(yǎng)分的需求，構(gòu)建起農(nóng)作物生長(zhǎng)模型和不同生長(zhǎng)指標(biāo)的響應(yīng)機(jī)制，為作物種植、施肥、灌溉提供科學(xué)指導(dǎo)。三是解譯方法的創(chuàng)新。從保障低空遙感數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的角度，需要做好數(shù)據(jù)波段的合理選擇，明確不同作物的特點(diǎn)，確定好遙感技術(shù)中各種儀器設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，為新的遙感數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)源組合的選擇提供參考。四是智能灌溉系統(tǒng)的構(gòu)建。智能灌溉系統(tǒng)的構(gòu)建同樣是無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田灌溉領(lǐng)域的一種創(chuàng)新發(fā)展，其需要借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取的各種數(shù)據(jù)信息，為農(nóng)田灌溉提供智能化管理技術(shù)。在實(shí)際操作中，智能灌溉系統(tǒng)的建設(shè)需要考慮4 個(gè)方面的內(nèi)容：一是必須結(jié)合農(nóng)田所處區(qū)域的氣候條件，確定好灌溉量及灌溉周期，保證灌溉的有效性，避免出現(xiàn)灌溉過(guò)于頻繁導(dǎo)致水資源浪費(fèi)的問(wèn)題；二是應(yīng)該做好灌溉區(qū)域和管道的合理布局，對(duì)灌溉均勻度、水源供給能力等進(jìn)行綜合考量，依照地形高差、水溝和道路的邊界，做好輪灌和施肥工作；三是應(yīng)該對(duì)輪灌區(qū)域進(jìn)行合理劃分，做好系統(tǒng)水力計(jì)算，對(duì)壓力及流量的需求進(jìn)行明確；四是在針對(duì)水肥藥一體化智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)做好滴灌系統(tǒng)、控制終端、施肥系統(tǒng)等的合理設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)村地區(qū)的勞動(dòng)力逐漸朝著城市地區(qū)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)從業(yè)人口越來(lái)越少，引入先進(jìn)的技術(shù)手段，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化程度，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)灌溉管理中，能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)調(diào)查方式存在的人力物力資源浪費(fèi)問(wèn)題，也可以對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)存在的不足進(jìn)行彌補(bǔ)，提升農(nóng)業(yè)灌溉的精準(zhǔn)性、科學(xué)性和有效性，繼而推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展。