基于旋翼無人機(jī)的農(nóng)業(yè)低空高光譜遙感技術(shù)研究

戚亞麗

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求對農(nóng)作物進(jìn)行科學(xué)、精準(zhǔn)的管理，借助低空高光譜遙感技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對大面積農(nóng)作物光譜信息進(jìn)行實(shí)時、精確的檢測，進(jìn)而充分掌握農(nóng)作物整體生長和發(fā)育的基本情況，為后期農(nóng)作物施肥、澆灌、施藥等提供信息依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向技術(shù)化、數(shù)字化方向發(fā)展。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，旋翼無人機(jī)搭載高光譜傳感器設(shè)備在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越成熟，逐漸向低成本、高效、靈活獲取大面積與高空間分辨率的農(nóng)作物信息方向發(fā)展，進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。但從客觀上來講，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，仍存在一些問題，影響其有效推廣和全面普及。

1 旋翼無人機(jī)概述

1.1 旋翼無人機(jī)的技術(shù)構(gòu)成

旋翼無人機(jī)主要包含無人機(jī)機(jī)體、任務(wù)荷載以及地面通信基站等，旋翼無人機(jī)自身任務(wù)荷載需依照具體要求進(jìn)行更換。地面通信基站屬于系統(tǒng)之內(nèi)的控制中心，通過地面通信基站科學(xué)控制無人機(jī)飛行路線，沿途做好數(shù)據(jù)信息的采集工作。旋翼無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)主要包含無線通信技術(shù)、GPS導(dǎo)航技術(shù)以及傳感器技術(shù)等[1]。

1.2 國內(nèi)外旋翼無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

旋翼無人機(jī)在國外一些發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為廣泛，美國運(yùn)用先進(jìn)自動導(dǎo)航以及精密技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用旋翼無人機(jī)，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率；日本也對旋翼無人機(jī)在植被保護(hù)作業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，當(dāng)前已經(jīng)形成較為完善的操作基本流程以及管理規(guī)范。對比之下，我國旋翼無人機(jī)研究與運(yùn)用起步較晚，但是發(fā)展速度更為迅速。目前我國旋翼無人機(jī)技術(shù)的整體研究以及應(yīng)用已經(jīng)邁進(jìn)新階段，其在低空高光譜遙感技術(shù)方面也獲得了更為廣泛的應(yīng)用[2]。

2 高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化

2.1 高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用

運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)能監(jiān)測田間農(nóng)作物生長狀況，通過對獲得的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，及時提供有關(guān)信息，且在預(yù)測農(nóng)田災(zāi)害方面運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)有顯著效果，將此技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)管理工作之中，能夠提升農(nóng)業(yè)管理水平，降低農(nóng)業(yè)管理成本。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，高光譜遙感技術(shù)有以下功能：一是研究農(nóng)作物葉片光譜基本特征。運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)可研究農(nóng)作物光譜特征，詳細(xì)分析土壤內(nèi)部的水分含量、農(nóng)作物葉片內(nèi)部葉綠素含量等，為農(nóng)業(yè)技術(shù)人員科學(xué)優(yōu)化農(nóng)作物種植以及管理模式等提供數(shù)據(jù)和信息參考。二是有效預(yù)測農(nóng)作物生長趨勢。運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)可以有效監(jiān)測葉片面積指數(shù)以及生物數(shù)量，這項(xiàng)技術(shù)對于農(nóng)作物葉片不具有破壞性，能夠獲得更為精確的葉面積指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，再搭建葉面積指數(shù)反演模型，可以科學(xué)預(yù)測農(nóng)作物實(shí)際生長態(tài)勢[3]。三是監(jiān)測農(nóng)作物生長狀況。運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)能監(jiān)測農(nóng)作物生長狀況，重點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測農(nóng)作物在白天的光合作用以及氮元素含量，科學(xué)監(jiān)測農(nóng)作物在進(jìn)行光合作用時的狀態(tài)，進(jìn)而有效預(yù)測農(nóng)作物生長狀況，分析氮元素含量，為施肥工作提供一定參考，進(jìn)而達(dá)到科學(xué)施肥、合理施肥的目的，避免出現(xiàn)肥料浪費(fèi)的問題，保證農(nóng)作物可以更好地生長。

2.2 高光譜遙感技術(shù)的優(yōu)化

高光譜遙感技術(shù)目前發(fā)展較快，前景廣闊。在實(shí)際應(yīng)用中，高光譜遙感技術(shù)也不可避免地出現(xiàn)相應(yīng)問題：一是在獲取信息數(shù)據(jù)時，因?yàn)槟Ｐ筒煌晟贫霈F(xiàn)數(shù)據(jù)分析錯誤，技術(shù)人員要進(jìn)一步完善農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，有效運(yùn)用數(shù)據(jù)技術(shù)，提升數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)度。二是高光譜遙感技術(shù)在光譜分解以及信息數(shù)據(jù)提取過程中，也會出現(xiàn)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)不匹配的現(xiàn)象，使這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用價值降低。對此，需聯(lián)合應(yīng)用GIS技術(shù)和GPS技術(shù)，確保數(shù)據(jù)信息分析結(jié)果與實(shí)際情況相符。總之，運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)的主要目的就是促進(jìn)農(nóng)業(yè)更為精細(xì)化地發(fā)展，在未來開展農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工作中，要有效加強(qiáng)與完善數(shù)據(jù)信息建設(shè)，積極結(jié)合更先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)信息監(jiān)測，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求[4]。

3 高光譜遙感技術(shù)分析

3.1 高光譜遙感圖像采集基本過程

高光譜遙感圖像采集是在旋翼無人機(jī)平臺基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際采集當(dāng)中，需要注意無人機(jī)平臺整體飛行參數(shù)以及飛行路線，對其進(jìn)行有效規(guī)劃，精準(zhǔn)控制拍攝參數(shù)。一般而言，采集方式選擇定點(diǎn)采集，也就是當(dāng)無人機(jī)到達(dá)預(yù)定位置之后，要向相機(jī)發(fā)出拍攝指令。這種形式可以進(jìn)一步保證圖像重疊率，進(jìn)而加強(qiáng)高采集效率，最后獲得更為良好的采集圖像。高光譜遙感圖像在農(nóng)業(yè)應(yīng)用采集中的基本過程主要包含以下四個步驟。

1）無人機(jī)平臺實(shí)際參數(shù)的確認(rèn)。主要包含無人機(jī)在農(nóng)田之中實(shí)際飛行高度以及速度，還有其與圖像的重合率[5]。在確認(rèn)參數(shù)之時，需要注意參數(shù)不能獨(dú)立，而是相互影響的。所以，要結(jié)合農(nóng)業(yè)任務(wù)以及飛行設(shè)備屬性進(jìn)行全面考慮。在實(shí)際運(yùn)用中，要確認(rèn)好重疊率，進(jìn)而有效保證圖像精準(zhǔn)度，并且依照分辨率來確認(rèn)實(shí)際飛行高度，最后依照相機(jī)頻率確認(rèn)速度。2）科學(xué)規(guī)劃無人機(jī)在農(nóng)田之中的實(shí)際飛行路線。主要依照飛行參數(shù)確認(rèn)飛行路線，在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用中，一般采用“之”字形飛行路線，這樣能夠使其在田間范圍內(nèi)更為全面地拍攝。3）針對相機(jī)實(shí)際參數(shù)確認(rèn)相機(jī)焦距以及曝光時間等。焦距決定農(nóng)業(yè)圖像采集清晰程度，在確認(rèn)焦距時，不能夠采取自動對焦的形式，因?yàn)檫@樣會導(dǎo)致圖像拍攝時間被延長，進(jìn)而發(fā)生丟圖情況。要嚴(yán)格控制曝光時間，曝光時間較長會導(dǎo)致遙感信息受到損害，曝光時間較短會導(dǎo)致圖像信息噪比受到影響。在選擇參數(shù)的過程中，需要關(guān)注參數(shù)變化，進(jìn)而尋求到平衡點(diǎn)。在采集中，對環(huán)境光照程度也有所要求。所以，原則上要在正午前后兩個小時左右開展高光譜遙感圖像整體采集工作。4）進(jìn)行遙感圖像采集工作。這個環(huán)節(jié)相對而言比較簡單，只要將相機(jī)鏡頭調(diào)節(jié)至豎直朝下的位置，圖像采集工作就能夠在無人機(jī)飛行之時自動化拍攝完成。在采集工作結(jié)束以后，要通過MATLAB針對采集數(shù)據(jù)實(shí)施科學(xué)處理，為了能夠有效保證最終處理效果，可以通過新版本MATLAB處理數(shù)據(jù)，而且需要運(yùn)用性能更為突出的計(jì)算機(jī)[6]。

3.2 在投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之前對高光譜遙感圖像的預(yù)處理

3.2.1 幾何畸變與校正

在生產(chǎn)與安裝鏡頭透鏡時，實(shí)際成像點(diǎn)與理論成像點(diǎn)并不會完全重合，一般會出現(xiàn)小幅度偏移，偏移有一定規(guī)律，可以在相應(yīng)規(guī)律下計(jì)算畸變系數(shù)[7]。在計(jì)算之前，需要創(chuàng)建像素坐標(biāo)系以及圖像坐標(biāo)系等標(biāo)定相機(jī)。為了有效保證相機(jī)標(biāo)定整體精確度，需要通過傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定模式，依照畸變情況，通過Levenberg-Marquardt迭代算法計(jì)算幾何畸變的實(shí)際系數(shù)，進(jìn)而更新相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及外部參數(shù)。

3.2.2 光譜圖像漸暈校正

漸暈是指圖像中線亮且邊緣暗的現(xiàn)象。因?yàn)闊o人機(jī)上的相機(jī)一般有小型化和輕量化等特點(diǎn)，所以會出現(xiàn)漸暈現(xiàn)象。在工作中，一般會在光譜相機(jī)中添加濾光片，這就導(dǎo)致漸暈變得更為明顯。出現(xiàn)漸暈情況，一般是視角增加且強(qiáng)度變?nèi)跛隆Ｒ勒諠u暈情況實(shí)際成因可以將其分為自然漸暈以及像素漸暈等類型。但是，不管哪種漸暈類型，均會使圖像質(zhì)量以及后期處理受到相應(yīng)影響。所以，要針對光譜遙感圖像科學(xué)校正漸暈情況[8]。漸暈校正一般采用查表法以及函數(shù)逼近法，查表法就是通過對比標(biāo)準(zhǔn)圖像獲取各方面像素的衰減因子，還要校正像素點(diǎn)，其對理想條件的要求很高，在對其調(diào)節(jié)時會遇到相應(yīng)困難。函數(shù)逼近法就是通過選擇最為適合的函數(shù)模擬圖像灰度值基本變化現(xiàn)象找到解釋最終變化的模型，然后依照模型來獲得最終校正基本方式。函數(shù)逼近法對函數(shù)模擬最終結(jié)果有較高要求，在應(yīng)用中也會因?yàn)檫x擇的函數(shù)匹配基本程度欠缺，而出現(xiàn)最終擬合結(jié)果受到影響的情況，耗費(fèi)時間更長。為了真正解決上述問題，Retinex圖像增強(qiáng)算法被廣泛運(yùn)用，采用這種算法估量原本圖像，并且計(jì)算出圖像各方面尺度的SSR，通過加權(quán)平均，最終有效校正漸暈問題。

3.3 高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.3.1 農(nóng)作物葉片光譜特征研究工作

基于農(nóng)作物葉片位置的光譜基本特征，深入分析土壤內(nèi)含有的水量和農(nóng)作物葉綠素等，能為農(nóng)業(yè)人員實(shí)施農(nóng)作物種植管理計(jì)劃提供相應(yīng)參考數(shù)據(jù)[9]。

3.3.2 預(yù)測農(nóng)作物實(shí)際生長趨勢

運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)能夠更為準(zhǔn)確地監(jiān)測出葉面積指數(shù)以及所有生物量，而且在監(jiān)測過程中，不會給葉片表面帶來較為嚴(yán)重的破壞，將此作為監(jiān)測基礎(chǔ)，運(yùn)用葉面積指數(shù)創(chuàng)建觀察模型，可以深入、細(xì)致地監(jiān)測農(nóng)作物實(shí)際生長動態(tài)。

3.3.3 農(nóng)作物生理性狀的科學(xué)檢測

在農(nóng)業(yè)之中運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)，能更為全面地監(jiān)測農(nóng)作物在生長過程之中產(chǎn)生的光合作用以及氮含量，監(jiān)測農(nóng)作物光合作用相關(guān)指數(shù)和其實(shí)際生長狀況[10]。對氮含量進(jìn)行監(jiān)測，能夠?yàn)槭┓使ぷ魈峁┫鄳?yīng)數(shù)據(jù)參考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)化施肥，避免在施肥當(dāng)中出現(xiàn)浪費(fèi)情況，使農(nóng)作物更為健康地生長。

4 結(jié)語

當(dāng)前各種類型科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域之中的應(yīng)用也變得更為廣泛。應(yīng)用無人機(jī)低空高光譜遙感技術(shù)，能夠更為方便和快捷地收集農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)，掌握各種農(nóng)作物的生長情況，而且能夠減少實(shí)際成本，有效克服了傳統(tǒng)航天技術(shù)存在的問題，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的良好發(fā)展。