淺析新技術(shù)在農(nóng)業(yè)土地測繪等方面的應(yīng)用

山東省壽光市自然資源和規(guī)劃局 楊海濤 張中華

江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 李守學(xué)

傳統(tǒng)的土地測繪等工作基本由工作人員攜帶GPS（全球定位系統(tǒng)）等專業(yè)設(shè)備，駕駛作業(yè)車輛到野外實(shí)地進(jìn)行勘察，工作量大，并且容易遇到不可預(yù)知的危險(xiǎn)。近年，隨著新技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)、5G 技術(shù)、北斗導(dǎo)航等快速迭代進(jìn)步，使得農(nóng)業(yè)土地測繪等工作可以廣泛應(yīng)用這類新技術(shù)，大大提高了土地測繪的效率。

一、無人機(jī)平臺(tái)技術(shù)

無人機(jī)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的各個(gè)方面，例如，農(nóng)藥噴灑、土地測繪等。無人機(jī)先進(jìn)配件的開發(fā)、應(yīng)用也日益完善，如攝像機(jī)（紅外、高清、高速攝像機(jī)）、云臺(tái)系統(tǒng)、傳感器（陀螺儀、磁力計(jì)、光學(xué)、超聲波和加速度計(jì)等）和通信系統(tǒng)。其中，客戶購買較多的是能在空中懸停的、六軸或八軸無人直升機(jī)。這些無人機(jī)的控制模式簡單，且在直升機(jī)的一個(gè)馬達(dá)懸停失效期間，不會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)故障，可安全著陸。此外，控制算法不復(fù)雜，可攜帶更多的有效載荷，并可附加額外的硬件，如機(jī)械臂或激光雷達(dá)傳感器，用于測繪、檢查和各種應(yīng)用。無人機(jī)也根據(jù)其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分為宏觀飛行器、微型飛行器和納米飛行器。無人直升機(jī)配備不同的組件，用于不同的應(yīng)用，如路徑和軌跡規(guī)劃，檢查和評估等高級功能，其結(jié)構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或評價(jià)。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)處理機(jī)載傳感器、攝像頭、電池和智能設(shè)備的功能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由無人機(jī)的中央核心單元處理，用于路徑規(guī)劃、監(jiān)視、檢查檢測、定位等定義的任務(wù)。這些硬件機(jī)載組件涵蓋了無人機(jī)懸停過程中的路徑規(guī)劃、避碰和檢測等不同應(yīng)用領(lǐng)域。激光雷達(dá)和紅外設(shè)備主要用于避碰和測繪，攝像頭和GPS 用于監(jiān)視無人機(jī)在前后方向的特定區(qū)域或路徑。中央核心系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)無人機(jī)用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)用。無人機(jī)配備了各種組件，如電子調(diào)速控制器，相機(jī)和萬向架，飛行控制器和鋰離子電池等。電子調(diào)座控制器主要用于為無人機(jī)電機(jī)提供動(dòng)力和高頻，電子調(diào)座控制器的主要功能是將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，也用于交流電機(jī)速度。在無人機(jī)中，鋰離子聚合物電池用于為機(jī)載組件和傳感器供電。

農(nóng)業(yè)土地測繪等方面可以充分利用無人機(jī)作為各種測繪設(shè)備的空中平臺(tái)，由人在遠(yuǎn)程進(jìn)行操控即可，大大提高了測繪效率，節(jié)省了人力資源，減少了未知的人身風(fēng)險(xiǎn)。與衛(wèi)星圖像、實(shí)地勘驗(yàn)一樣，無人機(jī)是獲取地面圖像的另一種方案，且具有更低的成本、更高的操作便利性以及實(shí)時(shí)生成高分辨率圖像的可能性等主要優(yōu)勢。

二、測繪技術(shù)

（一）可見光相機(jī)

可見光相機(jī)傳感器是一種成像器，它收集波長400～700 nm 的可見光將其轉(zhuǎn)換為電信號，并組織該信息以渲染圖像和視頻流?？梢姽庀鄼C(jī)利用 400～700 nm波長的光，這與人眼感知的光譜相同?？梢姽庀鄼C(jī)旨在創(chuàng)建復(fù)制人類視覺的圖像，捕捉紅色、綠色和藍(lán)色波長的光，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的顏色表示?，F(xiàn)代安全和監(jiān)控?cái)z像機(jī)以高清或更高的分辨率執(zhí)行此操作，并配備多種鏡頭選項(xiàng)，用于廣角或遠(yuǎn)攝視圖，以識別場景中的目標(biāo)和物體。姚立民為實(shí)現(xiàn)對馬鈴薯的田間表型信息的采集，利用無人機(jī)搭載可見光遙感相機(jī)獲取田間馬鈴薯的圖像信息，利用可見光影像構(gòu)建馬鈴薯數(shù)字表面模型，獲取馬鈴薯植被覆蓋度和株高等信息。

（二）多光譜相機(jī)

單色圖像和彩色圖像相機(jī)成相比較單一，而多光譜成像技術(shù)能夠通過多波段圖像信息進(jìn)行集成，因此，多光譜相機(jī)的信息獲取能力更強(qiáng)。多光譜成像技術(shù)是一種低光譜分辨率的成像技術(shù)。與高光譜成像技術(shù)相比，如在可見光和近紅外波段，其光譜分辨率為30～50 nm，而高光譜成像的光譜分辨率通常小于10 nm。因此，近紅外波段、可見光等10 個(gè)波段都可以通過多光譜成像技術(shù)獲得。多光譜相機(jī)可以用來進(jìn)行土地資源調(diào)查，設(shè)定農(nóng)業(yè)區(qū)劃。多光譜相機(jī)還能夠用于監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)生病蟲害農(nóng)田情況。在實(shí)踐中，將根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)頻帶的數(shù)量。該技術(shù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水文、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（三）探地雷達(dá)

探地雷達(dá)是用頻率在106～109Hz 的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種無損探測方法。通過裝載在航空器上探地雷達(dá)的發(fā)射天線，能夠連續(xù)向下發(fā)射106～109Hz高頻電磁波，然后航空器上可以通過特殊裝置接收探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波的反射波。由于高頻電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的物質(zhì)時(shí)，其分界面會(huì)發(fā)生反射，不同物質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的差異，導(dǎo)致電磁波的各種特征性反饋不同，從而根據(jù)差異發(fā)揮預(yù)測功能。探地雷達(dá)的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)快速、無損探測。探地雷達(dá)可以用于識別地下水中無機(jī)污染物和廢物分層的高污染地區(qū)。

（四）北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

目前，世界上共有三個(gè)全面運(yùn)作的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯聯(lián)邦的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和美國的全球定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)主要由24顆攜帶原子鐘的衛(wèi)星組成，在與地球赤道平面呈55°傾角的6 個(gè)軌道平面中，每一個(gè)都有4 顆衛(wèi)星?？刂撇糠钟扇舾傻孛姹O(jiān)測站不斷從衛(wèi)星收集資料發(fā)送到主控站，主控站分析信息后上傳至衛(wèi)星，再傳送給用戶，用戶通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，能夠確定位置、速度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提高土地測繪精度和農(nóng)業(yè)土地規(guī)劃管理工作水平，保持測繪信息時(shí)效性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于耕地測繪、耕地水利設(shè)施施工、耕地病蟲害防治、農(nóng)機(jī)作業(yè)遙感監(jiān)測等方面。湖南省自然資源廳依托北斗高精度定位技術(shù)，在手機(jī)系統(tǒng)上開發(fā)的易測APP，能夠?yàn)檎{(diào)查監(jiān)測提供數(shù)據(jù)底圖，還可用于執(zhí)法督察和耕地保護(hù)。

三、新技術(shù)在農(nóng)業(yè)土地測繪等方面的應(yīng)用

農(nóng)村管理工作及農(nóng)村土地規(guī)劃有效開展的前提是農(nóng)業(yè)土地測繪工作。精確的農(nóng)業(yè)土地測繪工作不但是農(nóng)村土地確權(quán)及管理等一系列相關(guān)工作的重要保障，還是確保中央農(nóng)業(yè)農(nóng)村工作決策科學(xué)合理可行的基本依靠。因此，加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)土地管理工作中的測繪工作至關(guān)重要。王鵬等認(rèn)為，按照農(nóng)村土地規(guī)劃要求，現(xiàn)代測繪技術(shù)主要有掃描數(shù)字化測量、航空攝影測量與遙感測量、連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)測量、全野外數(shù)字測量四種方式。由于技術(shù)、觀測條件和地形的不同，這四種模式各有利弊，能夠優(yōu)勢互補(bǔ)、相輔相成，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度、高效率地全覆蓋采集地籍信息。曾洪明等綜述了測繪GPS 外業(yè)控制測量、遙感攝影影像圖、全站儀數(shù)字化細(xì)節(jié)測量、3S 技術(shù)（地理信息技術(shù)）、內(nèi)業(yè)成圖技術(shù)等新技術(shù)在農(nóng)村土地測繪、農(nóng)村土地整理等多方面的應(yīng)用。

此外，新技術(shù)還在農(nóng)業(yè)地下排水、雜草整治、小麥成熟和海床監(jiān)測等方面具有較大的應(yīng)用潛力。Koganti等利用無人機(jī)搭載探地雷達(dá)和三種不同相機(jī)（可見光、多光譜和熱紅外）對農(nóng)業(yè)地下排水系統(tǒng)進(jìn)行測繪，發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)和相機(jī)可以在農(nóng)業(yè)地下排水系統(tǒng)測繪時(shí)相互補(bǔ)充。Adade 等綜述了無人機(jī)平臺(tái)和傳感器技術(shù)在海岸帶領(lǐng)域的應(yīng)用，共有海岸帶土地利用和土地覆蓋制圖、海岸帶災(zāi)害管理、潮間帶、海洋垃圾、海岸帶生物和棲息地5 個(gè)方面。Hunter 等將無人機(jī)雜草測繪和無人機(jī)噴霧器結(jié)合到無人機(jī)集成系統(tǒng)中，可以提供一種新的替代方案來實(shí)施特定地點(diǎn)的害蟲管理，與地面廣播應(yīng)用相比，無人機(jī)集成系統(tǒng)在識別和處理目標(biāo)雜草區(qū)域方面時(shí)效率提高了0.3～3 倍，同時(shí)最大程度地減少了對非雜草區(qū)域的處理。Pea 等利用無人機(jī)捕獲的遠(yuǎn)程圖像，在萌芽后早期設(shè)計(jì)詳細(xì)的特定地點(diǎn)雜草控制處理具有巨大潛力，利用六波段多光譜相機(jī)（可見光和近紅外范圍）對一系列無人機(jī)圖像開發(fā)了一種全自動(dòng)的基于目標(biāo)的圖像分析程序，其最終目標(biāo)是在西班牙的一個(gè)實(shí)驗(yàn)玉米田生成雜草圖。Hassan 等使用無人機(jī)來量化小麥的衰老，使用來自多光譜圖像的營養(yǎng)指數(shù)，并得出基于無人機(jī)的高通量表型分析有利于小麥衰老遺傳基礎(chǔ)的時(shí)間評估。Tahara等認(rèn)為利用衛(wèi)星和航空圖像進(jìn)行海草遙感監(jiān)測生成的圖像分辨率較低，無法分析草甸中不同海草種類的組成變化，繼而采用無人機(jī)（傳感器）制圖與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，可以在非常精細(xì)的尺度上監(jiān)測海草床的空間范圍，并對海草床的物種組成進(jìn)行分類。

四、小結(jié)

無人機(jī)等新設(shè)備、新技術(shù)的出現(xiàn)，改變了原來農(nóng)業(yè)測繪的方式，使得測繪更方便、更快捷。但是由于新設(shè)備、新技術(shù)的使用，需要相關(guān)軟件的配合，因此，在以后的工作中，需要積累使用經(jīng)驗(yàn)，編制更適合農(nóng)業(yè)土地測繪方面的軟件程序，提高新設(shè)備、新技術(shù)在農(nóng)業(yè)土地測繪方面的準(zhǔn)確性。