高爾夫球場草坪智能管理的可行性研究

崔永琪　張軍惺

【摘要】“綠色，高雅，健康，陽光”的高爾夫行業隨著經濟的發展，在中國乃至全球范圍內日趨壯大。高爾夫不僅僅是一種娛樂，一項運動，它更是成功的代表，潛能的文化。目前全國已有五百多座高爾夫場，并且有很多正在建設當中。據相關部門統計，中國未來十年內將會有一千家左右新建高爾夫球場投入使用，但據調查高爾夫草坪的系統管理領域還是一項空白，現在草坪各項數據的檢測僅僅依靠人工。人工水平的參差不齊，導致高爾夫草坪后期的保養和維護受到影響。開發出高爾夫草坪智能管理系統將極大提高草場維護效率，減少人工投入，降低企業成本。

【關鍵詞】高爾夫 草坪智能管理 無人機

一、選題意義

近年來傳感器技術和計算機圖形圖像處理技術的飛速發展，使得影像數據采集的速度和質量有了大幅提高，特別是無人機航測平臺的廣泛應用，使得快速、廉價地獲取大范圍重疊影像數據成為可能，這直接加快了后續開發和行業應用的速度。無人機是指由動力驅動，攜帶多種設備，執行多項任務，可重復使用的無人駕駛航空機具。目前，國內外小型無人機應用主要集中在以下幾個方面： 災情評估、災后救援、洪澇防治、環境監測與治理、城市管理、資源管理、評估土地動態變化等。無人機在農業中有潛在的應用價值，將無人機引入農業領域能夠大幅提高農業現代化水平，對于促進現代農業發展具有長遠意義。無人機遙感具有影像分辨率高、機動靈活、成本低、實時等特點，將其應用于農業領域能夠大幅度提高農業現代化水平， 對于促進農業可持續發展具有重要意義。與現有的國土資源無人機遙感系統相比，低空無人機遙感具有諸多優勢，例如應急能力強、獲取速度快，處理效率高、運輸方便，因此在大面積農作物覆蓋地的測量上有很好的應用前景。無人機低空遙感是衛星遙感的有益補充，充分利用無人機遙感的多種優勢，監測及定量繁衍作物生長的各項參數，擴大無人機遙感在農業領域的應用范圍，可更好地服務和指導農業生產。

二、理論基礎

隨著我國經濟持續健康穩定的發展，中國與世界的聯系日益密切，高爾夫運動在中國得以蓬勃發展。同時，由于人們生活水平的提高和運動認識及觀念的改變，高爾夫的平民化消費將逐步實現，高爾夫運動也將越來越得到普及。中國高爾夫產業的發展對于綠化國土、改善投資環境、吸引外來資金、擴大對外交流、活躍地區經濟都起到了積極的推動作用。此外高爾夫球場的建設在改造生態、促進地方經濟發展，尤其在改善我國傳統低效益農業方面發揮著較大的作用。目前，由于無人機遙感可以提供多空間尺度、多時相的地面觀測數據，可以輔助目前的遙感數據與產品的真實性檢驗以及尺度效應等研究。但是還沒有將無人機和遙感技術應于高爾夫草坪質量監測的相關研究。然而，低空無人機遙感仍處于起步階段，尚存在一些需要改進的地方，如無人機機身穩定性有待提高，影像的精度還需要配合地面控制點進行幾何糾正等。此外，將低空無人機數據運用于地表參數的定量提取時，還需要進一步完成相機的輻射定標和大氣糾正，在以后工作中對上述問題進行進一步研究。

在高爾夫場上，利用無人機通過預先設定好的航拍路徑進行定點航拍，最后運用專業軟件進行合成，通過系統的分析色差比對，進行篩選比對發現雜物。通過近紅外光譜技術[1]對高爾夫草坪-土壤營養成分含量和水分含量進行檢測， 確定適宜的施肥時間和施肥量、灌溉時間和灌溉量， 草坪外觀質量評價以及高爾夫球場中有害生物預測與防治等方面， 使用該技術可以及時獲取草坪草生長及環境狀態數據，有效提高高爾夫草坪管理決策管理水平。

三、系統設計

觀測場地位于石家莊河北體育學院校區內部，地處河北省石家莊市。球場為高爾夫球綜合練習場，占地面積150畝，場地內擁有70個打位的雙層練習場，一個面積為300平米的高爾夫球綜合實驗室，內部配有模擬器、揮桿動作分析系統Pro V1、推桿動作分析系統Samputter、擊球數據分析系統X2等輔助設備。場地四周有300個打擊墊和200塊標準真草打擊區，綜合練習場內有總桿數為28桿的迷你三桿洞9個。草坪草主要是草地早熟禾（Poa pretensis），只有果嶺草坪和發球臺草坪為匍匐翦股穎（Agrostis stolonifera），除草坪外，球場內還有樹木、水域以及部分硬化道路。草坪質量監測管理的對象為高爾夫球場的果嶺、果嶺坪床、發球臺、球道，以及障礙區（沙坑、水域、高草區）。養護管理的手段主要為施肥、澆水、打藥、修剪、打孔、劃破草皮、覆沙，碾壓、扒沙等。養護的目的是為了草坪在遭到踐踏，低修剪，高溫，病蟲害等脅迫的情況下，能夠通過施肥，澆水、覆沙等養護手段來保持球場各區域的使用功能正常健康，從而達到一個較高水平的平衡。研究設計的高爾夫草坪質量監測無人機遙感系統以無人飛行平臺，機載數碼相機、數碼攝錄機等數字遙感設備進行拍攝和記錄，通過遙感數據處理技術進行影像的分析處理，以實現對地面信息的實時調查與監測。

要想成功施行高爾夫球場草坪智能管理，關鍵在于無人機技術和紅外光譜技術的結合應用。先通過人工在高爾夫球場內設置無人機飛行路徑點GPS坐標。進行定點定位拍攝圖片，通過軟件合成全景圖，再通過色差分析比對找出雜物、異物、球痕等有礙于高爾夫球場正常使用的因素，將數據發送到客戶端。再通過紅外光譜技術，分析土壤營養成分，含水量和有害生物。將數據匯總到平臺，平臺分析處理數據，將高爾夫草場按照所缺物質劃分區域，再利用無人機系統進行噴灌。市面上的無人機設備已經具備定點飛行的功能。需要進一步開發將無人機繪制的圖片轉換到合成軟件里的這個通道軟件和將色差比對結合，把數據實時反饋給各級維護人員這一部分。對于紅外光譜技術，只需解決把匯總收集到的數據，發送到無人機系統。搭載預先調配完成的藥物，進行噴灑。系統不單單精簡了高爾夫球場維護人員的數量，還進一步科學化了高爾夫草場的管理系統。

本研究以多旋翼無人機為平臺，同步搭載Canon EOS 數碼相機、數碼攝錄機、傳感器元件等組成的無人機草坪質量監測系統開展試驗， 分別獲取球場的果嶺、果嶺坪床、發球臺、球道，以及障礙區（沙坑、水域、高草區）的遙感影像，對河北體育學院高爾夫球場草坪質量和影響草坪質量的因子進行現場監測，通過遙感數據處理技術進行影像的分析處理，使用機器識別和大數據技術對采集到的數字圖像及其它數據進行處理分析，并對比專業草坪管理人員實驗室的化驗分析結果， 以實現對草坪質量的實時調查與監測，及時地對草坪養護管理中出現的問題進行糾正，對草坪的病蟲害進行科學的預防和防治，對草坪土壤情況進行定期的測定達到測土施肥的目的。最終使高爾夫球場草坪質量既能夠滿足球手擊球的需要，又要盡量在較低的養護成本的條件下達到人們理想的狀態，對環境質量的提高起到推進作用。

四、結論與展望

本研究設計了一個完整的高爾夫草坪質量監測無人機遙感系統，包括空中飛行與數據獲取模塊和地面監控模塊。其中空中飛行與數據獲取模塊的主要功能是控制無人機系統按照既定航線平穩飛行，并將飛行狀態與數據傳輸到地面，主要包括無人機飛行系統、遙感器系統、姿態控制系統以及數據傳輸系統;地面監控模塊則是發送飛行狀態調整和數據獲取命令、接收數據并實時監控。采集果嶺、果嶺坪床、發球臺、球道等不同區域的草坪數字圖像，使用MATLAB軟件對每個單幅影像進行圖像處理，取出不同質量草坪的特征。利用無人機航攝影像制作高爾夫球場的數字正射影像圖，并針對制作過程中的航高航線設計、控制點選取布設、影像預處理、解析空中三角測量等關鍵技術進行了分析研究。利用強力度數據處理軟件、影像處理軟件生成測繪成果圖，使復雜姿態下的全部影像可以聯合平差處理成等效無縫正射影像。使用提取到的草坪特征，結合機器識別、人工智能和大數據處理技術等先進的計算機技術，分析處理高爾夫球場草坪無縫正射影像，得出草坪質量監測報告。

目前，市場上雖然有大量檢測設備但這些設備都是針對特定目標單次檢測，數據需要加工后才能反饋給維護人員，成本高，效率慢是其缺點。很少有針對高爾夫球場定時定點自動化檢測，自動分析處理數據反饋給客戶的高效率系統。高爾夫球場草坪智能管理領域幾乎處于空白階段，競爭壓力極低，這就需要我們抓住機會，率先進入這一行業。對于企業來說，實行智能管理一方面，可以節約人力成本，精簡管理維護人員，更易擴大企業規模。另一方面，可以更科學化的，提高草場的質量，從而增加消費者在使用中的滿意度。對于消費者來說，高爾夫球場普及率的提高，使得普通民眾更容易接觸這項運動，也使得企業的利潤增加，獲得了繼續擴大規模的資本。良性循環，便形成了一種“全民高爾夫”的氛圍。此行業走在社會發展潮流的前沿，在不久的將來，還可以利用這個系統，針對湖泊和雪場開發相應的配套軟件，發展前景廣闊。

參考文獻：

[1]李書英.近紅外光譜技術在高爾夫草坪管理中的應用[A].光譜學與光譜分析[C].天津市：南開大學化學系，2008.1539-1543.

作者簡介：崔永琪（1999-），男，河北灤南人，河北體育學院。張軍惺（1980.1-），女，河北體育學院。

項目來源：2018年河北體育學院創新創業訓練計劃項目（項目編號：201811236037）;2017年河北體育學院教改項目（項目編號：2017JYZHC14）。