基于旋翼無人機(jī)的農(nóng)業(yè)低空高光譜遙感技術(shù)分析

王亞利

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

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速推進(jìn)，對(duì)農(nóng)作物管理提出了更高的要求，這就需要采用更加科學(xué)精準(zhǔn)的管理模式。在農(nóng)業(yè)規(guī)?；l(fā)展進(jìn)程中，往往要實(shí)時(shí)監(jiān)測大面積的農(nóng)作物，從而掌握農(nóng)作物實(shí)際生長發(fā)育情況，為后續(xù)保障農(nóng)作物養(yǎng)分與水分需求以及開展施肥、澆灌等田間管理工作提供更加科學(xué)的依據(jù)。為了有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)構(gòu)建出更加完善的數(shù)字化農(nóng)業(yè)管理體系。近年來，旋翼無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應(yīng)用，不僅為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的采集帶來了極大的便利，也促進(jìn)了農(nóng)業(yè)管理的現(xiàn)代化發(fā)展。采用旋翼無人機(jī)的農(nóng)業(yè)低空高光譜遙感技術(shù)更是取得了良好效果，值得對(duì)其進(jìn)行深入探究。

1 旋翼無人機(jī)與高光譜遙感技術(shù)概述

旋翼無人機(jī)主要是指利用無線電遙控設(shè)備以及自備程序進(jìn)行控制操縱的多旋翼無人機(jī)，根據(jù)飛行高度可以將其劃分為高空無人機(jī)以及低空無人機(jī)兩種類型，而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用的主要為低空無人機(jī)。而高光譜遙感技術(shù)，其全稱為高光譜分辨率遙感技術(shù)，能夠通過電磁波的應(yīng)用來獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，高光譜圖像也主要由成像光譜儀獲取，成像光譜儀能夠?yàn)槊恳粋€(gè)像元提供幾百個(gè)窄波段光譜信息，從而構(gòu)建出一種具備更高連續(xù)性與完整性的光譜曲線。在實(shí)際成像階段中，成像光譜儀可以采用納米級(jí)的光譜分辨率，在多個(gè)波段中同時(shí)探測地表的地物成像，從而準(zhǔn)確獲取地物的連續(xù)光譜信息，還可以有效同步獲取空間信息、光譜信息以及輻射信息，那些在寬波段遙感當(dāng)中無法被探測的物質(zhì)在高光譜當(dāng)中也可被探測出來。近年來，高光譜遙感技術(shù)也屬于迅速發(fā)展的一種全新遙感技術(shù)，其中融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)以及探測器技術(shù)等多種現(xiàn)代化技術(shù)，具備很好的應(yīng)用價(jià)值[1]。

2 旋翼無人機(jī)與高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 旋翼無人機(jī)的應(yīng)用

1）旋翼無人機(jī)的技術(shù)構(gòu)成。旋翼無人機(jī)在本質(zhì)上屬于一種整體化系統(tǒng)，主要由無人機(jī)機(jī)體、地面通信基站以及任務(wù)載荷等組成，同時(shí)，旋翼無人機(jī)內(nèi)部的任務(wù)載荷，也可以結(jié)合實(shí)際工作需求進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。而地面通信基站則屬于整體系統(tǒng)當(dāng)中的控制中心，與無人機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)之間存在著十分緊密的聯(lián)系，能夠控制無人機(jī)的飛行路線，做好對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息采集工作。在旋翼無人機(jī)當(dāng)中所應(yīng)用的技術(shù)主要為傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)以及無線通信技術(shù)等，均有較高的科技含量。

2）旋翼無人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀。旋翼無人機(jī)在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為廣泛，美國通過各類精密控制技術(shù)以及自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于旋翼無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，其不僅大幅度提高了整體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，對(duì)于農(nóng)作物質(zhì)量的提高也起到了一定程度的促進(jìn)作用。日本也大量應(yīng)用旋翼無人機(jī)來展開植物保護(hù)工作，已經(jīng)在內(nèi)部形成了一種較為完整的操作流程以及操作規(guī)范。相對(duì)來說，我國在旋翼無人機(jī)的研究應(yīng)用方面由于起步比較晚，仍舊處在初級(jí)的發(fā)展階段，但整體發(fā)展速度較快，我國旋翼無人機(jī)相關(guān)的研究已經(jīng)進(jìn)入到了全新階段，并且在低空高光譜遙感技術(shù)當(dāng)中得到了十分廣泛的應(yīng)用[2]。

2.2 高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用

1）應(yīng)用方向。在目前的社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，高光譜遙感技術(shù)主要應(yīng)用于監(jiān)測地面各類農(nóng)作物的生長狀態(tài)，并整合處理所得出的所有數(shù)據(jù)信息，提供更加高效的數(shù)據(jù)分析[3-4]。同時(shí)，高光譜遙感技術(shù)在各類自然災(zāi)害的預(yù)測方面也起到了十分重要的作用。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅度提高農(nóng)業(yè)管理水平，逐步降低農(nóng)業(yè)管理成本消耗。目前高光譜遙感技術(shù)主要應(yīng)用于以下三個(gè)方面：①農(nóng)作物葉片光譜特征的研究工作。通過研究農(nóng)作物葉片部位光譜特征，以及對(duì)土壤內(nèi)部水含量以及農(nóng)作物葉綠素含量等進(jìn)行分析，為農(nóng)業(yè)人員制定農(nóng)作物的種植管理方案提供重要的參考依據(jù)。②預(yù)測農(nóng)作物生長趨勢。通過應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)，準(zhǔn)確檢測葉面積指數(shù)和生物量，并且這種技術(shù)對(duì)葉片不會(huì)產(chǎn)生過于嚴(yán)重的破壞，能夠得出精確化的葉面指數(shù)，以此為基礎(chǔ)，通過葉面積指數(shù)反演模型的構(gòu)建，可以準(zhǔn)確預(yù)測農(nóng)作物的具體生長態(tài)勢。③農(nóng)作物生理形狀的檢測。其中重點(diǎn)內(nèi)容就在于對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生的光合作用以及氮含量展開全面檢測，通過監(jiān)測農(nóng)作物光合作用，準(zhǔn)確預(yù)測農(nóng)作物當(dāng)前的生理情況。同時(shí)，通過檢測氮含量，為后續(xù)施肥工作的開展提供重要參考，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)合理的施肥，防止其中出現(xiàn)肥料浪費(fèi)的問題，使得農(nóng)作物能夠始終維持在一種健康的生長狀態(tài)中。

2）發(fā)展方向。高光譜遙感技術(shù)目前進(jìn)步顯著，未來仍舊存在很大的發(fā)展空間。在日常的發(fā)展應(yīng)用過程中，高光譜遙感技術(shù)也會(huì)面臨部分問題。①在獲取信息模型的過程中，由于模型自身的適用性比較低，很容易產(chǎn)生較為顯著的分析誤差，這就需要及時(shí)引導(dǎo)工作人員完善優(yōu)化農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息庫，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)來提供更加有效的支持，穩(wěn)步提高分析工作的準(zhǔn)確程度。②高光譜遙感技術(shù)在光譜分解和數(shù)據(jù)信息提取過程中，也出現(xiàn)了解決方案與實(shí)際需求匹配程度比較低的問題，嚴(yán)重影響了技術(shù)的應(yīng)用，而采用GPS技術(shù)與GIS技術(shù)融合應(yīng)用的方式，將其與高光譜遙感技術(shù)更好地結(jié)合在一起，就可以保證最終的分析結(jié)果符合實(shí)際情況?？傮w來看，目前高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用的主要目的是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細(xì)化發(fā)展，在后續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新工作中，要重點(diǎn)強(qiáng)化數(shù)據(jù)信息庫的信息化建設(shè)，通過與其他各類先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，以此來滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本需求[5]。

3 基于旋翼無人機(jī)的農(nóng)業(yè)低空高光譜遙感技術(shù)

3.1 高光譜遙感圖像的采集

在高光譜遙感圖像的采集過程中，可以通過旋翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作，而在實(shí)際采集過程中，應(yīng)當(dāng)精細(xì)化控制無人機(jī)的飛行參數(shù)和飛行路線。通常情況下，采用的采集方式主要為定點(diǎn)采集，也就是在無人機(jī)進(jìn)入預(yù)設(shè)地點(diǎn)后，對(duì)相機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)的拍攝指令，這種方式能夠保證圖像重疊率，在提高整體采集效率與采集質(zhì)量的同時(shí)，獲取更高質(zhì)量的采集圖像。而高光譜遙感圖像的采集工作，主要包括以下內(nèi)容：1）確定無人機(jī)的飛行參數(shù)。其中主要包括無人機(jī)的飛行速度、圖像重疊率以及飛行高度等內(nèi)容，在確定參數(shù)的過程中，應(yīng)當(dāng)注意這部分參數(shù)并非互相獨(dú)立的，而是處在一種互相影響的狀態(tài)中。所以，這就需要結(jié)合任務(wù)的實(shí)際需求以及設(shè)備自身的性能展開綜合考量。站在實(shí)際應(yīng)用的角度上來看，其中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先確定好重疊率，以此確保圖像精度不會(huì)受到影響，結(jié)合分辨率來確定具體的飛行高度，最后結(jié)合相機(jī)的工作頻率來確定飛行速度。2）飛行路線的規(guī)劃。飛行路線主要在結(jié)合相關(guān)飛行參數(shù)的基礎(chǔ)上確定，在日常應(yīng)用中，大多都會(huì)采取“之”字形的飛行路線，這樣能夠全面拍攝農(nóng)田區(qū)域，做到不留死角。3）確定相機(jī)的參數(shù)。其中需要重點(diǎn)確定的是相機(jī)的曝光時(shí)間以及焦距等，焦距決定了圖像采集的清晰程度，在后續(xù)確定焦距的過程中，不能采用自動(dòng)化的對(duì)焦模式，這是由于自動(dòng)化對(duì)焦會(huì)延長圖像的拍攝時(shí)間，容易出現(xiàn)丟圖問題。同時(shí)，還要確定好曝光時(shí)間，如果曝光時(shí)間較長就會(huì)喪失一部分遙感信號(hào)，曝光時(shí)間過短也會(huì)降低圖像的信噪比。在后續(xù)的參數(shù)選擇過程中，應(yīng)當(dāng)注意不同參數(shù)的影響，在其中找尋出一個(gè)平衡點(diǎn)，以此更加高效地開展高光譜的遙感圖像采集工作[6-7]。

3.2 高光譜遙感圖像的預(yù)處理

由于周邊環(huán)境因素以及相機(jī)傳感器自身存在的問題，圖像很容易產(chǎn)生失真問題，為后續(xù)數(shù)據(jù)信息分析工作的順利開展帶來了一定程度的誤差。因此，需要對(duì)采集到的高光譜遙感圖像展開預(yù)處理。通常情況下，高光譜遙感圖像所產(chǎn)生的失真問題，主要在于輻射亮度不均勻以及幾何畸變多，需要對(duì)其展開針對(duì)性處理。1）幾何畸變及矯正。由于鏡頭透鏡在生產(chǎn)安裝階段中存在一定程度的誤差，使得實(shí)際成像點(diǎn)與理論成像點(diǎn)之間并沒有完全重合，通常會(huì)出現(xiàn)小幅度偏移，而這種偏移還存在一定規(guī)律，可以結(jié)合規(guī)律計(jì)算機(jī)變系數(shù)。在計(jì)算機(jī)變系數(shù)的過程中，應(yīng)當(dāng)建立對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系以及圖像坐標(biāo)系，以此標(biāo)定相機(jī)。而為了保證相機(jī)的標(biāo)定精度不會(huì)受到影響，就要采用傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定方式，結(jié)合具體的畸變情況計(jì)算出準(zhǔn)確的幾何畸變系數(shù)，逐步更新相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)。2）光譜圖像的漸暈校正。漸暈主要指圖像中間部位明亮，而邊緣部分較為陰暗的現(xiàn)象，由于旋翼無人機(jī)所用相機(jī)普遍為小型化與輕量化相機(jī)，這也增加了漸暈問題的發(fā)生概率。同時(shí)，在實(shí)際工作中，光譜相機(jī)中往往添加了濾光片，這也加大了漸暈現(xiàn)象產(chǎn)生的影響，而漸暈現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因就在于進(jìn)入相機(jī)當(dāng)中的光線會(huì)隨著視角的不斷提升而降低強(qiáng)度，從而引發(fā)漸暈。根據(jù)漸暈現(xiàn)象的具體成因，可以將其劃分為像素漸暈、光學(xué)漸暈以及自然漸暈等多種類型，這就需要針對(duì)光譜遙感圖像來展開漸暈校正。近年來，在發(fā)展進(jìn)程中，通過Retinex圖像增強(qiáng)算法可以對(duì)原圖像的亮度分量以及反射分量進(jìn)行估算，然后通過對(duì)于不同尺度的SSR計(jì)算，并加權(quán)平均來實(shí)現(xiàn)漸暈校正，基本上能夠消除光譜失真問題，實(shí)現(xiàn)旋翼無人機(jī)低空高光譜遙感圖像的漸暈校正[8-9]。

3.3 輻射一致性處理技術(shù)

在高光譜遙感圖像采集工作中，由于天氣變化，太陽光照度也會(huì)出現(xiàn)一定程度的變化，這也使得遙感圖像當(dāng)中出現(xiàn)了一種明暗程度不夠均勻的問題，為了有效解決這方面問題，應(yīng)當(dāng)展開輻射一致性處理。站在實(shí)際情況的角度上來看，為了更好地達(dá)到輻射一致性，通常都會(huì)采用直方圖匹配法或是圖像回歸法等方式進(jìn)行處理，其中直方圖匹配法相對(duì)較為簡便，但很容易導(dǎo)致整體圖像出現(xiàn)灰度失真的問題；而圖像回歸法則是利用算法來構(gòu)建出輻射校正因子，整體精準(zhǔn)度比較高，但由于其中需要采用人工選取樣本的方式，大大增加了工作量。而一些新技術(shù)也相繼出現(xiàn)，目前研究人員通過對(duì)于環(huán)境照度以及圖像DN值相應(yīng)關(guān)系的深入研究，在進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)過后，以第一波段當(dāng)中的圖像作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輻射一致性的校正處理，并且取得了較為優(yōu)異的效果[10-12]。

4 結(jié)論

綜上所述，在目前的社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，隨著各類現(xiàn)代化技術(shù)的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也受到了一定程度的影響，各類現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。利用旋翼無人機(jī)低空高光譜遙感技術(shù)，可以更加便捷地獲取各類農(nóng)作物的大數(shù)據(jù)信息，明確各類農(nóng)作物的實(shí)時(shí)生長狀態(tài)。同時(shí)，采用旋翼無人機(jī)低空高光譜技術(shù)不僅降低了整體成本消耗，還能夠進(jìn)一步克服傳統(tǒng)航天技術(shù)成本比較高以及時(shí)效性較低等多種問題。因此，必須要重點(diǎn)加大對(duì)旋翼無人機(jī)低空高光譜技術(shù)的重視程度，以此為基礎(chǔ)來逐步拓展整體農(nóng)業(yè)領(lǐng)域范圍，更高頻次地獲取數(shù)據(jù)信息。