無人機遙感技術在農業中的發展與應用

李勇志，支曉棟，唐海龍，李 丹，趙 政，孫長奎

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083;2.北京大學環境科學與工程學院，北京100871)

無人機作為新型遙感和測繪平臺，相比于地面靜態觀測和衛星航空觀測更加靈活，分辨率也更高，數據信息也具有相當或更高的準確度。無人機技術在遙感中的應用滿足了遙感技術在軍事、農業、礦業、環境科學等多領域的監測、管理的不同需求。無人機拓寬了遙感技術時空的尺度，可以多時段反復探測，又能滿足從局部到大區域的探測需求，在精度方面可以達到0.1 m甚至0.01 m級別，通過搭載不同探測器可以獲得多層面的信息數據。無人機采集信息的能力有其突出特點，數據處理、分析模型建立、信息提取轉譯等后續技術仍在不斷研發過程之中。總體而言，無人機的廣泛應用具有很好的前景。

1 無人機遙感技術的特點

傳統遙感技術一般采用衛星和大型飛機作為遙感平臺，可以進行大面積觀測并獲取豐富的綜合性數據。與此同時，傳統遙感在小時空尺度的數據采集分析上也存在著分辨率不足的問題。而且，航空遙感易受空間輻射和云層等因素的干擾。近些年來，小型無人機作為低成本的新型遙感平臺，很好地彌補了傳統遙感的缺陷，也因其特有的優勢，在局部遙感和應急監測方面取得了巨大成功。無人機遙感要求裝載的遙感儀器體積小、重量輕、抗震性好。無人機遙感平臺的結構可以分為飛行器分系統、測控及信息傳輸系統、信息獲取與處理系統及保障系統幾個部分。

目前較為先進的無人機重量一般為10 kg左右，可以采集多波段光譜數據，搭載有合成的多功能探測器，依靠地面的操控站對無人機實施操控，對無人機傳回的飛行數據進行分析處理，自動或人工對無人機實時進行任務設定、航線調整等［1］。

無人機在遙感領域的應用有很多優勢:

(1)突破作業條件，可以低空、連續、低成本、低風險采集數據。無人機相對于傳統航測和衛星遙感，可以進行云下低空飛行，提高了分辨率。通過地面遙控減少操作人員的訓練投入和安全風險。監測區域設定更加靈活，可以連續或者周期性監測，實時傳回分析數據。在成本方面，無人機運行成本明顯低于衛星和載人飛機，無人作業方式大幅降低人力和安全成本。

相對于衛星遙感和大型航空遙感，無人機可以獲得更為精細的數據，對地形地貌的時空變化監測精度可以到達0.01 m 級別［2］。

(2)時效性，快速響應應急作業。無人機體積小，便于操作、轉場，對于起降場地要求也相對弱，可以依據需求短時間準備后迅速起降，實現遙感數據的快速實時獲取。

(3)使用維護便捷。無人機相對于大型飛機和衛星的使用，調試及維護都更加方便便捷，可以根據需求及時調整，使用靈活精確，出勤率高，設備維修相對容易。

無人機這種局地尺度、連續起降、多時空、多信息維度重復信息采集特點，使其在農用領域有著極大的發展空間和應用效益。

2 無人機遙感技術的農業中的應用與發展現狀

對于水文地質、地形地勢的信息采集分析是農業布局的基本決策前提。無人機遙感作為一種新的測繪方式具有很多優勢且實際應用廣泛。無人機在多時相測繪方面有獨到的優勢。機載激光掃描是獲取數字地形模型資源信息的重要手段，但是耗費較昂貴［3-4］。利用無人機搭載移動式激光掃描儀、CCD相機、光譜儀以及熱成像攝像機，不僅可以記錄幾何輪廓數據，還可以采集圖片信息、激光背散射強度、高光譜和熱信息數據。無人機可以相對廉價地多次反復采集數據，使其在多時相數據采集方面具有獨有的優勢。無人機技術在數字地形模型的建立中取得了巨大的成功，對裂縫和表面位移都能進行準確的監測描述［5］。

除了局地尺度測繪，無人機在更為精細的幾何測量方面也有很好的應用。精細尺度的測量用于監測樹木生長高度、枝葉分布密度，可以對樹木的長勢、林區發育情況進行監測，方便優化管理，且已有很多成功案例［6-7］。此外，在林火監測中無人機遙感有較長的應用歷史，隨著監測技術的不斷提升，近來在國內森林資源調查方面也有有效應用［8］。無人機技術可以完美應對森林調查對時效分辨率以及場地因素的限制，為生態規劃和植被管理提供了最有效的數據。

環境狀況包括營養和污染現象嚴重影響農業管理。在環境信息獲取方面，無人機遙感可以突破定點采樣的局限，全面直觀地表現濁度、富營養化、污染物擴散等信息，為環境污染控制和治理提供最為及時可靠的信息［9］。另外如果搭載采樣器還可以實現無視地形的采樣。環境信息的采集為農業管理提供了第一手決策支持。

在耕作農業方面，無人機可以采集地質、水文和作物等方面的信息，為精細農業管理控制提供準確完善的信息。無人機可以不斷監測作物長勢、土地條件變化、農藥施用效果和蟲害預防等［10］。例如，在柑橘種植過程中，通過無人機監測分析葉綠色熒光信息和光化學植被指數可以準確反映柑橘的水分含量，為合理節約灌溉提供支持［11］;通過無人機的信息獲取可以定量分析冠層氮密度，實現養分狀況評估，合理施肥［12］。在農田除草方面，無人機遙感可以有效評估定位，合理用藥［13］。在牧場的管理中無人機技術正好契合了其反復觀測和地域尺度的需求，通過植被時空變化數據位牧場管理利用提供了準確信息支持，根據牧草的分布和長勢趨勢，合理安排畜牧，既合理保護草場又可以實現畜牧業的可持續發展［14］。另外，無人機還可用于執行海域監管信息可視化、事故發現處理、項目監測等重要任務［15］。

3 無人機技術與現代農業結合發展難點與展望

雖然，無人機技術在很多實驗項目中取得了有效成果，但是無人機原始遙感數據信息到農業訊息的轉譯過程，也就是原始信息的農學意義的分析和確定還存在很多技術空白和技術難點。這需要技術人員和農業工作者共同協作，在數據采集、提取、處理、解譯和分析等方面進行更多的方法性和可操作性的開拓工作。

灌溉管理是農業最基本的問題，合理高效灌溉，是保障作物生長和節約用水的基本準則。無人機遙感監測是現代農業一個很好的協助手段，并取得一定成功，但在響應信息解讀和分析層面仍存在較大的不確定性和差異性［16］。多波段遙感信息以及熱成像信息都是水分判斷的主要依據，然而這些信息數據在不同作物間存在一定差異。因此，在應用遙感數據進行水分管理要因地制宜，根據具體問題建立特異的回歸判斷數據信息，這些信息庫的建立和完善工作還有待加強。

無人機硬件條件的改進是無人機遙感發展的基礎條件因素:本身材料需要改進，使得機身更加輕便，并能抵御惡劣環境干擾;設計方面也有待提高以適應保障飛行穩定性的需求。

在遙感功能方面，需要精確高效的采集設備、高效準確的信息處理系統，對于作物營養、生長的細微信息，需要更加精確地采集和分析來方便管理和操作。在田間雜草監控應用中，對于雜草分布的確定是除草劑高效發揮效用的前提［13］。

能源供給和高效利用也是無人機應用過程中亟待科研的重要環節。相比于燃料燃燒供給，電能形式供給效率更高，因此大容量電池和燃料電化學應用技術的發展都將為無人機應用帶來質的飛越。

另外，從遙感方面，被動式探測手段也將節省很多能源保證無人機持久續航［17］。此外，無人機的建造成本和探測器的成本也是限制無人機廣泛應用的重要因素。

4 結論

無人機遙感技術的發展及其在農業中的應用，為現代精細農業的發展提供了更為有力的技術支持。多時空尺度、多指標信息采集，高分辨率、高精度信息的獲取、分析及管理促進了無人機遙感技術與現代農業結合的更好契合。

［1］XIANG H，TIAN L.Development of a low-cost agricultural remote sensing system based on an autonomous unmanned aerial vehicle(UAV)［J］.Biosystems engineering，2011，108(2):174-190.

［2］HARWIN S，LUCIEER A.Assessing the accuracy of georeferenced point clouds produced via multi-view stereopsis from unmanned aerial vehicle(UAV)imagery［J］.Remote sensing，2012，4(6):1573-1599.

［3］SHAN J，TOTH C.Topographic laser ranging and scanning:Principlesand processing［M］.Boca Raton，FL:CRC Press，Taylor ＆ Francis Group，2009:590.

［4］VOSSELMAN G，MAAS H G.Airborne and terrestrial laser scanning［M］.Caithes，GB:Whittles Publishing，2010:336.

［5］NIETHAMMER U，JAMES M R，ROTHMUND S，et al.UAV-based remote sensing of the Super-Sauze landslide:Evaluation and results［J］.Engineering geology，2012，128:2-11.

［6］EISENBEISS H，SAUERBIER M.Investigation of UAV systems and flight modes for photogrammetric applications［J］.The photogrammetric record，2011，26(136):400-421.

［7］JAAKKOLA A，HYYPP? J，KUKKO A，et al.A low-cost multi-sensoral mobile mapping system and its feasibility for tree measurements［J］.ISPRS journal of photogrammetry and remote sensing，2010，65(6):514-522.

［8］張園，陶萍，梁世祥，等.無人機遙感在森林資源調查中的應用［J］.西南林學院學報，2011，31(3):49-53.

［9］朱京海，徐光，劉家斌.無人機遙感系統在環境保護領域中的應用研究［J］.環境保護與循環經濟，2011，31(9):45-48.

［10］ZHANG C，KOVACS J M.The application of small unmanned aerial systems for precision agriculture:A review［J］.Precision agriculture，2012，13(6):693-712.

［11］ZARCO-TEJADA P J，GONZáLEZ-DUGO V，BERNI J A J.Fluorescence，temperature and narrow-band indices acquired from a UAV platform for water stress detection using a micro-hyperspectral imager and a thermal camera［J］.Remote sensing of environment，2012，117:322-337.

［12］LI J W，ZHANG F，QIAN X Y，et al.Quantification of rice canopy nitrogen balance index with digital imagery from unmanned aerial vehicle［J］.Remote sensing letters，2015，6:183-189.

［13］PENA J M.Quantifying efficacy and limits of Unmanned Aerial Vehicle(UAV)technology for weed seedling detection as affected by sensor resolution［J］.Sensors，2015，15(3):5609-5626.

［14］RANGO A，LALIBERTE A，HERRICK J E，et al.Unmanned aerial vehicle—based remote sensing for rangeland assessment，monitoring，and management［J］.Journal of applied remote sensing，2009，3(1):33542-33556.

［15］吳濤，張彥彥，吳立珍，等.無人機遙感技術在海域管理中的應用［J］.中國高新技術企業，2014(29):17.

［16］GAGO J，DOUTHE C，COOPMAN R E，et al.UAVs challenge to assess water stress for sustainable agriculture［J］.Agricultural water management，2015，153:9-19.

［17］STEFANIK K V，GASSAWAY J C，KOCHERSBERGER K，et al.UAV-based stereo vision for rapid aerial terrain mapping［J］.GIScience ＆ remote sensing，2011，48(1):24-49.