基于多源信息融合的農業空地一體化研究綜述

陳 琴

(三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000)

前言

我國自古以來就是人口大國與農業生產大國，農業發展不僅是國家經濟發展中的支柱型產業，更是維持社會穩定與安全的重要前提保障。在農作物監測管理中，農作物的信息數據通常具有復雜性與多樣性等特點，傳統單一的監測技術已經逐漸無法滿足現代化社會對農業生產提出的具體要求，因此，利用多源信息技術開展智能化農業管理勢在必行。多源信息技術與無人機影像技術等信息化技術相融合能夠共同組成空地一體化系統，以此實現從天空與地面對農作物生長進行全面監測，進而提高農業生產質量與效率。

1 多源信息融合概述

多源信息融合是一項綜合型學科，又可以稱為多傳感裝置信息融合技術，誕生于20世紀70年代。多元信息融合經過長期發展與應用，已經成為一項獨立的學術科目，多源信息融合相關理論知識與應用體系等已經相對成熟，在軍事領域中具有十分良好的應用效果，如信息識別、目標追蹤、自動化指揮系統、防御系統以及戰略預警系統等。隨著計算機、互聯網等現代化技術快速發展，信息數據的種類與內容變得越發繁瑣復雜，導致多源信息數據處理工作難度直線上升。因此，構建能夠適用不同情景的多源信息系統以及靈活應用信息融合技術是現階段亟需解決的關鍵問題。多元信息融合技術的基本原理就是利用傳感器獲取監測目標的信息數據，隨后通過信息傳送技術將信息數據傳送至處理系統，依據信息種類的多元性特征進行分類處理，對提取出的信息特性進行分析研究，從而實現對監測目標的有效控制與檢測識別等[1]。

在農業生產領域中，基于多源信息融合技術的空地一體化系統主要是指運用無人機搭載相關設備進行農業信息數據獲取，利用模式識別、圖像處理等技術開展信息數據分析與統籌處理等，從而實現智能化農業發展監測與管理。在以無人機為主要核心的系統中，主要包括無人機系統、信息處理分析系統以及傳感裝置采集系統。其中，以無人機系統為主要系統，主要搭載光譜相機等影像設備；信息處理分析系統主要負責對監測收集的信息數據進行前期處理、過濾選擇以及分析計算等；傳感裝置采集系統主要對農業環境等信息進行收集，其中主要包括光譜相機、傳感裝置以及照相機等設備。

2 基于多源信息融合的農業空地一體化研究

2.1 可見光成像技術

可見光成像技術主要是指RGB可見光影像獲取技術。在實際應用中應用數碼相機不僅能夠有效獲取到監測對象的表面基礎信息，同時，外界環境因素對成像過程的干擾性較低，具有較強的空間分辨率，但是對光譜的分辨性能較差，只能分辨紅色、綠色以及藍色波段。數碼相機可以有效獲取到農作物的真彩色影像、高程模型以及農田灰度，能夠以此為基礎對農作物生長情況進行有效分析，如葉面積指數、葉面顏色、植株高度以及整體倒伏情況等。無人機搭載數碼相機具有成本低廉、機動性能好以及分辨率高等特點，能夠快速準確地評估地面生物量，是遙感估算領域中的重點研究內容之一[2]。劉楊等學者進行如下實驗，在馬鈴薯的快速生長階段通過不同的無人機飛行高度對馬鈴薯實際情況進行監測，以此獲取不同分辨率的影像信息，探究其對農作物紋理特征、光譜信息以及紋理特征加光譜信息對于AGB模型數據的精確度信息的影響；實驗結果表明，在相同分辨率影像下，紋理特征與光譜信息相結合進行AGB估算具有最佳的估算效果，只利用光譜信息進行估算的效果最差，只利用紋理特征進行估算的效果中等；而隨著分辨率的提高，3種AGB估算方法的精確度都會得到一定增強。

2.2 光譜成像傳感器

利用無人機搭載光譜成像裝置能夠有效監測到農作物的光譜反射特性以及吸收特征，常用于對農作物的成長情況、種植面積等進行監測，從而對農作物的理化參數進行有效估算，進而預算實際產量。光譜成像傳感裝置能夠捕捉到電磁輻射光譜中存在的不可見光與可見光部分，在實際應用中具有成本低廉、工作效率優以及信息獲取快等特點，現階段已經廣泛應用在農作物生長數據獲取研究領域中。高光譜影像技術能夠有效獲取到農作物的葉面積指數、含水率、葉綠素含量、葉片營養含量以及其他信息數據等，同時能夠對農作物整體產量進行有效預測。高光譜技術已經成為無人機遙感技術在農業發展中的重點研究方向[3]。寧紀峰等學者針對地膜農業的作物生長情況的監測工作制定了一種改進型分割模型，并在實際應用中實現了對監測地膜農業生長情況的有效分割；實驗結果表明，改進后的語義分割模型在光譜遙感影像識別中的應用效果與可見光相比高出7個百分點，該技術能夠在相對復雜的場景中準確識別地膜農業，從而有效分析農作物的具體種植情況與生長情況。

2.3 熱紅外影像傳感器

熱紅外影像傳感器又可以稱為熱紅外成像儀，在實際應用中利用專業的算法將監測到的紅外輻射能量轉換為溫度，主要包括光學成像鏡頭以及紅外探測裝置，而紅外探測裝置的主要構成是紅外敏感元件。紅外傳感裝置能夠對特定時間內農作物的生長情況進行數據收集，從而分析農作物的生長趨勢以及水分脅迫等信息。蒸發速率、光合特性以及氣孔導度等與農作物表層溫度息息相關，因此，利用熱紅外傳感器能夠有效監測農作物在脅迫環境下具體長勢。楊文攀等學者利用無人機搭載高清數碼相機與熱紅外成像裝置，對不同性狀的拔節期玉米進行研究分析，利用低空遙感系統對試驗區進行航攝獲取信息數據，利用空三技術對數碼影像進行幾何坐標校正，利用手持式測溫裝置對輻射定標版的黑白面進行溫度測量，利用高分辨率的數碼相機對玉米生長情況進行分類，同時進行二值化處理[4]；除此之外，還需要利用手持式測溫裝置對玉米表面溫度進行同步測量，對2種測量溫度進行一致性分析研究，以此探究熱紅外影像傳感技術獲取玉米表面溫度的具體效果；實驗結果表明，熱紅外影像傳感技術與地面實際測量技術具有高度統一性，數據獲取具有較高的精確性，能夠有效應用在實際工作中。熱紅外影像傳感能夠實現無損傷、精確、迅速地獲取到農作物的表面溫度，對監測農作物抗旱性能具有十分重要的影響作用。

3 空地一體化在農業發展中的具體應用

3.1 農作物生長監測

對農作物生長情況進行監測并及時評估作物健康狀態是保障農業生產質量的重要手段之一。利用無人機搭載可視紅外線設備，能夠有效監測農作物對紅外光與綠光的反射情況，同時繪制出多光譜信息圖像，有效判斷農作物的生長變化情況與具體健康情況。農作物種植者能夠依據相對應的數據信息制定出行之有效的解決方案，確保農作物處于健康生長狀態，遠離病蟲害威脅，進而有效提高農業生產質量與產量。空地一體化技術不僅能夠有效監測土地環境的基礎信息，同時還能夠對農作物的生產過程進行全面監測，農業管理人員能夠依據監測到的相關信息數據進行深入研究，從而有效判斷農作物的生長趨勢。可以利用無人機搭載相關設備進行光譜信息收集與實時圖像信息收集，以此為基礎對農作物的具體生長情況進行動態化監管，并結合監測數據信心對農作物生產管理規劃進行科學有效的調整優化[5]。如，對玉米、向日葵等作物進行長勢觀測與營養監測，進而科學開展農藥噴灑、水源灌溉以及施肥等操作。除此之外，還可以利用無人機搭載高清攝像頭，定期開展農作物多普影像拍攝，同時對各項數據信息進行對比分析，制定科學合理的農業管理方法。無人機搭載技術在實際應用中具有十分廣泛的應用范圍，能夠通過搭載不同種類的設備對農作物進行有效監測管理，如農作物的整體生長情況、種植密度、生長變化趨勢等。與傳統人工監測模式相比，該技術能夠有效實現高效、快速、精確監測農作物生長過程，從而實現農業的高質量與高產量。

3.2 農作物藥物噴灑

無人機能夠應用在農藥噴灑工作中。利用智能監控系統對農作物發生病蟲害區域進行精準定位，同時利用地面遠程操控系統控制無人機進行相應藥物噴灑。該技術能夠有效控制農藥噴灑劑量，確保高效治理農作物病蟲害情況，從而構建出良好的農作物生長環境。在無人機藥物噴灑應用過程中，控制人員還可以針對不同農作物的生長需求以及病蟲害的具體分布情況對無人機噴灑范圍進行有效調整，從而避免了二次噴灑的現象，提高病蟲害治理效率，進而加強農作物的實際生產質量。我國南方地區首先將無人機技術應用在農作物藥物噴灑工作中，張海艷等學者進行如下實驗，通過改變藥物噴灑數量與無人機高度多次開展農田噴灑操作，利用水敏紙圖像分析與熒光示蹤劑法分析不同噴灑條件下藥液霧滴在靶標上的實際沉積效果；實驗結果顯示，不同旋翼的無人機具有不同的霧滴沉積效果，相比之下單旋翼無人機從痕跡效果更為良好；但是不同噴施高度與計量的無人機噴施對農作物防治病蟲害的效果無明顯差距，最終結果均達到國家規定標準[6]。無人機施肥與機械施肥或人工施肥相比具有明顯的技術優勢，定位系統與遙感系統能夠有效控制無人機開展遠程工作，大幅度節省了人工作業成本，同時精準化施肥能夠顯著提高農作物生產效率，確保施肥更加高效化與科學化。除此之外，無人機施肥還能夠依據不同作物在不同時期的生長需求，科學控制無人機施肥的劑量，從而為農作物提供充足的營養成分，最終實現農作物的高質高產。

3.3 農作物災害監測

自然災害對于農業發展具有十分巨大的影響，其中最為常見的氣候災害包括洪澇災害與旱災。洪澇災害具有極強的突發性，我國每年受到洪澇災害影響的農業種植面積在740萬hm2左右，造成的經濟損失約為200億元，嚴重影響我國農業經濟發展。而空地一體化技術能夠有效緩解自然災害對農作物的破壞影響，其中，植被指數法、熱慣量法以及缺水指數法等是較為常見的旱災檢測方法。代輝等學者利用空地一體化技術對洪澇災害進行研究，利用衛星技術、無人機遙感技術以及地面人工調查等方法，利用地面人工調查的方法獲取到無人機遙感技術所需要的基礎信息數據，利用信息處理相系統對關信息數據進行分析，以此為基礎為衛星技術開展信息處理提供幫助，利用NDWI指數方法對衛星技術呈現出的洪澇范圍中的水體指數的閾值進行有效提取，以此分析洪澇災害實際影響情況。無人機技術的應用能夠快速精確獲取到自然災害對于農業生產造成的直接影響，幫助當地有關部門迅速開展農業搶險救災工作。除此之外，空地一體化技術能夠對病蟲害進行有效監測，檢測原理是病蟲害會導致農作物葉片生產情況受到直接影響，如外表形狀、水分氮素量以及細胞結合色素等，進而導致作物光譜發生變化，利用無人機搭載光譜設備能夠有效監測到農作物光譜變化情況，從而分析作物病蟲害分布情況與嚴重程度，輔助相關人員開展病蟲害防治工作[7]。

4 結論

基于多源信息融合技術的空地一體化技術能夠有效提高農作物監測效果與效率，在實際應用中具有成本低廉、工作效率高、實用性能強、不受地形約束以及精準性強等特點，改變了傳統農業生產模式，將農業種植者從大量繁重復雜的農業管理工作中解放出來，同時有效提高農業病蟲害防治效果，實現農業生產的高質和高產，推動我國農業經濟進一步發展。