基于小型智能無人機(jī)低空遙感技術(shù)的農(nóng)田信息采集的研究

花良浩 ， 李丹丹 ， 黃呈宇 ， 姜娜娜 ， 花洋洋

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 無人機(jī)遙感概述

1.1 無人機(jī)遙感測量技術(shù)介紹

智能無人機(jī)遙感主要是采用了5種技術(shù)的聯(lián)合搭載的無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，其中測量和監(jiān)視農(nóng)田信息采用的是傳感器技術(shù)，信息采集主要由搭載的傳感器接收轉(zhuǎn)換得到的光影成像構(gòu)成[1]。在無人機(jī)低空飛行過程中，掃描農(nóng)田中農(nóng)作物或無農(nóng)作物區(qū)域形成不同的光段，再將形成的不同樣本轉(zhuǎn)化為不同的光譜特征，由高光譜影像信息可以獲取并正確判斷農(nóng)作物的種類、農(nóng)作物當(dāng)前生長狀態(tài)、農(nóng)作物的倒伏狀態(tài)等?？臻g測量技術(shù)主要是識別一些農(nóng)田中不同的農(nóng)作物區(qū)域，主要采用的是激光探測技術(shù)。比如，本文中智能無人機(jī)采用的是機(jī)載LiDAR，無人機(jī)飛行過程中通過采集的信息進(jìn)行反射脈沖并接收回波，從而獲得不同農(nóng)作物區(qū)域的三維坐標(biāo)。

1.2 無人機(jī)的種類

當(dāng)前，無人機(jī)的種類繁多，都各有優(yōu)缺點(diǎn)。從無人機(jī)結(jié)構(gòu)看，可分為固定翼、飛艇、多旋翼和直升機(jī)這四大類。其中，多旋翼無人機(jī)因?yàn)轶w型比較小，重量比較輕，并且有很強(qiáng)的定點(diǎn)懸停能力，可以根據(jù)設(shè)計(jì)時間和設(shè)計(jì)點(diǎn)快速停止，速度方面相較于其他結(jié)構(gòu)的無人機(jī)屬于中慢速，上面搭載的相機(jī)在信息采集過程中可以重復(fù)拍照并且圖像分辨率很高[2]。所以，小型多旋翼無人機(jī)大多用于農(nóng)田信息采集方面。固定翼飛機(jī)一般速度比較快，并且起飛后飛行時間比較久，不能及時在固定點(diǎn)懸停，若用于農(nóng)田信息采集，會因?yàn)橐苿舆^快導(dǎo)致搭載的相機(jī)不能及時聚焦采集信息。飛艇類無人機(jī)是一種輕于空氣的航空器，比較適用于靜風(fēng)中飛行，在有風(fēng)的情況下穩(wěn)定性極差，和熱氣球原理很像，唯一不同的是其具有推進(jìn)和控制飛行狀態(tài)的裝置，其適用范圍很廣。多旋翼直升機(jī)體型較大，可以承載比較重的設(shè)備，但是運(yùn)行中噪聲較大，不適合用于農(nóng)田信息監(jiān)測方面。

1.3 無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國對智能無人機(jī)遙感技術(shù)的研究主要起源于1950年，出發(fā)點(diǎn)是針對航空施藥技術(shù)進(jìn)行研究，2004年無人機(jī)遙感技術(shù)才開始用于農(nóng)田中，但是技術(shù)并不成熟，到2007年技術(shù)開始成熟，也是我國首次將功能較為齊全的無人機(jī)遙感技術(shù)投入使用[3]。當(dāng)前，我國無人機(jī)遙感技術(shù)主要的優(yōu)勢是能夠準(zhǔn)確采集農(nóng)田信息，使用方便，準(zhǔn)確快捷，并能做到實(shí)時監(jiān)控等。對于農(nóng)戶來說，最大的優(yōu)勢是使用成本低，購買渠道多，并且操作簡單[4]。例如，在小麥生產(chǎn)中應(yīng)用智能無人機(jī)遙感技術(shù)，可以完成初期、中期、后期生產(chǎn)過程中的病蟲草害防治施藥工作，能有效抵御病蟲草害的侵?jǐn)_；在玉米生產(chǎn)初期、中期階段中應(yīng)用智能無人機(jī)遙感技術(shù)，可以高效進(jìn)行病蟲害防治施藥工作，并達(dá)到良好效果，既安全有效又能保證農(nóng)作物的質(zhì)量。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

研究小組主要以無人機(jī)為監(jiān)測平臺，利用搭載的成像光譜儀和其他對農(nóng)田無接觸的監(jiān)測設(shè)備組成信息采集處理系統(tǒng)。在農(nóng)田信息采集監(jiān)測領(lǐng)域，當(dāng)前市面上最注重的是無人機(jī)監(jiān)測范圍和精度等，但卻忽略了無人機(jī)的續(xù)航能力、飛行的穩(wěn)定性等，所以研究小組綜合考慮后選擇大疆無人機(jī)“御”系列的Mavic2型號，其飛行穩(wěn)定性高，速度快，并且續(xù)航時間長。選用DJIGS Pro作為核心控制系統(tǒng)，可在操作面板上的地圖上直接選點(diǎn)，并且擁有多種方式創(chuàng)建飛行任務(wù)的功能。

3 農(nóng)田信息采集與數(shù)據(jù)處理

3.1 農(nóng)田空間信息的采集

無人機(jī)采集農(nóng)田空間信息時，不僅僅是獲取農(nóng)田的空間坐標(biāo)，計(jì)算總面積，還有對區(qū)域內(nèi)不同農(nóng)作物田地的計(jì)算[5]。采用無人機(jī)遙感探測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田空間位置信息的實(shí)時獲取，例如，利用搭載的成像光譜儀和其他對農(nóng)田無接觸的監(jiān)測設(shè)備組成信息采集處理系統(tǒng)對農(nóng)田空間信息進(jìn)行識別。在此之后，對于空間監(jiān)測方面采用了高程信息處理技術(shù)，使得監(jiān)測的農(nóng)田空間信息的分辨率大幅度提升。

3.2 智能無人機(jī)航拍與攝影處理

無人機(jī)啟動之前，首先需要檢測無人機(jī)各部件是否完整，有無損壞點(diǎn)，還需要檢查無人機(jī)電池是否能完成本次飛行，檢查信息采集內(nèi)存卡空間是否充足等等。專業(yè)人員需要擬定本次飛行軌跡，根據(jù)農(nóng)田高度設(shè)定智能無人機(jī)飛行的最佳高度，以達(dá)到最高分辨率的采集信息。此外，還需要注意待檢區(qū)周圍有沒有阻礙飛行的電線、樹枝等，所以對于無人機(jī)的航向和旁向進(jìn)行設(shè)定，百分比設(shè)定分別為大于60%和46%，并且飛行中裝配的相機(jī)連拍的時間間隔相同。選用的影像處理軟件主要是需要對無人機(jī)航片進(jìn)行選擇，對采集區(qū)域生成密集點(diǎn)云，最后完成正射影像輸出等流程。

4 農(nóng)田信息采集及應(yīng)用分析

4.1 農(nóng)田耕種面積測量

無人機(jī)啟動后開始按設(shè)定軌跡飛行，首先獲得的是DOM測區(qū)，得到該數(shù)據(jù)后在軟件GIS中可以很容易地計(jì)算出農(nóng)田的面積[6-7]。本次測量的農(nóng)田設(shè)定為兩片區(qū)域，得到各自的農(nóng)作物種植面積如下：地塊1為1.34 hm2，地塊2為0.89 hm2。低空遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)最大的區(qū)別是前者采集影像的分辨率較高，能檢測的范圍大，并且可以短時間內(nèi)獲取農(nóng)田信息，準(zhǔn)確便捷，特別是針對很大的農(nóng)田進(jìn)行作物套種和分區(qū)域非同作物種植時，也能夠精準(zhǔn)計(jì)算。無人機(jī)低空遙感技術(shù)與人工實(shí)地采樣觀察相比，顯然人工容易踏壞農(nóng)作物，判斷不準(zhǔn)確，并且效率低，更浪費(fèi)時間[8]。

4.2 農(nóng)作物的產(chǎn)量估測

無人機(jī)主要通過在農(nóng)作物快速成長階段和將要成熟階段，對農(nóng)作物的當(dāng)前植株的水分值和植被指數(shù)等信息建立回歸模型，來估計(jì)農(nóng)作物的大概產(chǎn)量[9-10]。整個階段需要多次的信息采集，以確保農(nóng)作物最后的產(chǎn)量與預(yù)估產(chǎn)量的誤差保持在4%以內(nèi)。當(dāng)前，以現(xiàn)有的無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)不能對每一個種農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)估，常見可預(yù)估產(chǎn)量的農(nóng)作物主要是大豆、玉米和小麥等。

4.3 農(nóng)作物的氮素診斷

農(nóng)作物的生長離不開化肥，其中主要的營養(yǎng)成分是氮磷鉀等元素。有些地區(qū)農(nóng)田使用農(nóng)家肥，從營養(yǎng)成分來說和正常化肥的原理是相同的，氮素是為了提高農(nóng)作物的光合作用和同化產(chǎn)物能力，以此來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。無人機(jī)就是通過低空高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測農(nóng)作物的顏色和葉綠素水平的時間段變化，來獲取農(nóng)作物的生物理化參數(shù)空間分布[11-12]。目前，在氮素診斷方面研究的農(nóng)作物主要有玉米、水稻和小麥等。

4.4 農(nóng)作物倒伏情況監(jiān)控

農(nóng)田內(nèi)農(nóng)作物的好壞，直接關(guān)系到一個周期內(nèi)的最終成果。農(nóng)戶對農(nóng)作物的倒伏情況特別關(guān)注，因?yàn)榈狗鼤斐赊r(nóng)作物的植株損傷，所以需要及時發(fā)現(xiàn)倒伏情況，及時整治，才能有效地減少損失。衛(wèi)星遙感技術(shù)時效性比較低，信息采集數(shù)量和清晰度有限。因此，采用低空遙感技術(shù)既能短時間地發(fā)現(xiàn)問題，得到信息可立即解決問題，將損失率降到最低；又能準(zhǔn)確核實(shí)農(nóng)戶損失問題，大大提高了農(nóng)戶的收成率。研究小組測試的農(nóng)田中，顯示紅色的區(qū)域?yàn)槌霈F(xiàn)倒伏情況區(qū)域。

4.5 農(nóng)作物的洪澇監(jiān)測

自然災(zāi)害也是嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長的因素之一。比如洪水淹沒農(nóng)田，如果不能及時進(jìn)行排澇處理，被淹沒的農(nóng)田將會嚴(yán)重荒廢，導(dǎo)致沒有任何收成。采用無人機(jī)遙感技術(shù)，可以根據(jù)不同長勢和顏色變化采集其影像信息，再根據(jù)空間監(jiān)測計(jì)算判斷得出洪澇區(qū)和正常區(qū)。

5 無人機(jī)低空遙感在農(nóng)田監(jiān)測應(yīng)用中的不足

無人機(jī)低空遙感在農(nóng)田監(jiān)測中的應(yīng)用近年來發(fā)展迅速，無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在農(nóng)田信息采集應(yīng)用方面取得了眾多顯著的成果，但目前的研究仍存在許多不足的地方，主要有以下幾個方面：

1）無人機(jī)的飛行速度和控制技術(shù)方面近年來雖然發(fā)展得很快，但是無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)在面對復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境時仍存在很多局限性[13]。一方面，電池的續(xù)航能力不足，比如，在對大面積農(nóng)田進(jìn)行農(nóng)作物信息采集時，無人機(jī)的電量不允許對整體一次性采集，需要劃分區(qū)域累計(jì)采集，這樣就容易導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)誤差增大；另一方面，無人機(jī)適用性低，比如，在雷雨和霧雪天氣下監(jiān)測時，會因?yàn)橛挈c(diǎn)的干擾導(dǎo)致遙感圖像模糊抖動并且噪點(diǎn)增多，這樣導(dǎo)致最終采集得到的信息數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，信息篩選時間增加，限制了無人機(jī)遙感在農(nóng)田監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用。

2）低空遙感技術(shù)系統(tǒng)搭載單一的傳感器，在對不同的遙感信息的綜合使用中，對于精度的把控和檢測、拓展范圍方面的延伸和監(jiān)控等，還需要進(jìn)行更深度的思考研究。面對機(jī)載傳感器的更新，則應(yīng)更加向著小型化及智能化方向發(fā)展。對于采集及實(shí)時同步的農(nóng)田信息的反饋和檢測方面，已經(jīng)有許多研究者開始探索采集信息和采取數(shù)碼影像的高光譜數(shù)據(jù)方式相結(jié)合，其中，數(shù)據(jù)信息的組合不應(yīng)當(dāng)局限于兩個傳感器或者多個融合的傳感器相結(jié)合。

3）在對于無人機(jī)遙感系統(tǒng)采集農(nóng)情信息方面的研究中，未能達(dá)到及時考慮或者沒有考慮時空變換方面對于農(nóng)作物信息的采取和解釋。從大多數(shù)無人機(jī)遙感監(jiān)測信息系統(tǒng)單方面的研究來看，基本都是基于單個時段間的數(shù)據(jù)反映情況，從而很少能獲取多個及連續(xù)模式的數(shù)據(jù)表和作物表的呈現(xiàn)，反演參數(shù)少，代表性嚴(yán)重不足，所以很難表達(dá)出農(nóng)作物的真實(shí)情況成長趨勢和指數(shù)參數(shù)[14]。因此，從農(nóng)作物在生長的過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的連續(xù)性周期性檢測來看，監(jiān)測農(nóng)作物動態(tài)生長趨勢是很有必要的。而對于大多數(shù)農(nóng)作物的生長指標(biāo)和規(guī)模參數(shù)來說，具有穩(wěn)定性的模型和準(zhǔn)確普適性方面還有進(jìn)一步研究的空間[15]。此外，從遙感信息系統(tǒng)獲取的所知信息的圖例來看，對于后期的精準(zhǔn)性和管理方面的研究做得很少，這就需要開發(fā)快速高效的對地物方面的識別信息系統(tǒng)以及適當(dāng)?shù)哪Ｐ徒馕霾僮?，以形成高效、?biāo)準(zhǔn)、通用的方法。

6 結(jié)論

綜上所述，智能無人機(jī)低空遙感技術(shù)的快速進(jìn)步，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以及未來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的農(nóng)田信息采集領(lǐng)域呈主要發(fā)展趨勢[16]。該技術(shù)在農(nóng)田面積檢測和面積劃分方面具有超高的精度，為農(nóng)業(yè)科學(xué)化生產(chǎn)奠定了牢固的基礎(chǔ)。研究小組所研究的無人機(jī)遙感技術(shù)主要針對農(nóng)田中農(nóng)作物的生長狀況和受災(zāi)情況進(jìn)行監(jiān)測，并能夠第一時間通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，遵循最大程度的無損失生產(chǎn)或者降低損失生產(chǎn)的理念，科學(xué)地對農(nóng)作物進(jìn)行管理。智能無人機(jī)低空遙感技術(shù)的成熟，會為我國更精細(xì)化的農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供極大幫助。