輕小型無人機遙感在精準農業中的應用研究

雷 劍

(三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000)

引言

精準農業是當今世界農業發展的新潮流，是在現代信息技術、生物技術、工程技術等一系列高新技術最新成就的基礎上發展起來的一種重要的現代農業生產形式，其核心技術是地理信息系統、全球定位系統、遙感技術和計算機自動控制技術。精準農業是將遙感、地理信息系統、全球定位系統、計算機技術、通訊和網絡技術、自動化技術等高新技術與地理學、農學、生態學、植物生理學、土壤學等基礎學科有機地結合起來，實現在農業生產過程中對農作物、土壤從宏觀到微觀的實時監測，生成動態空間信息系統，對農業生產中的現象進行模擬，達到合理利用農業資源，改善生態環境，提高農作物產品和質量的目的。實施精準農業是促進農業可持續發展的有效途徑，必將對我國農業生產產生重大影響。本文將輕小型無人機遙感技術引入其中，使該技術的作用在相關方面中充分體現，并從以下方面進行詳細闡述。

1 精準農業簡述

精準農業作為農業發展新趨勢，需要借助信息技術對其進行輔助運行，工作期間的定位與定量工作則需要空間變異來引導。實際上，精準農業是以農作物生長的土壤為基礎，對農作物進行耕種作業期間的人為因素進行調節。在進行耕種前，需要對土壤中原本微量元素含量與生產力進行調查，這類調查需要在土壤發生變異前完成，并且保證結果真實有效。需要對農作物目標產量進行明確，以目標為基礎，對定位實施系統診斷與科學化管控，促使土壤生產力調節到能夠滿足目標需求狀態，利用最小的投入來獲取更大的收益。除此之外，可以對環境起到一定的改善作用，并對各類農業資源全面高效應用，有效獲取相關的經濟效益或環境效益[1]。

由于環境污染現象的加劇以及農業資源出現明顯匱乏，使得農業開始向精準農業方向不斷轉變，這樣不僅可以使農業現實生產力明顯提升，還可以使優質高產且環保的持續化發展農業能夠有效實現。

2 輕小型無人機遙感系統概述

2.1 構成單元

全面分析輕小型無人機的遙感系統可知，其構成單元相對繁雜，不僅將相關的傳感器和自動化飛行平臺等囊括其中，還包括了必要的地對空控制操縱系統以及無人機影像傳輸處理系統等。一般情況下，可以將無人駕駛飛行器劃分成不同類型，如多旋翼無人機。一般來講，小型無人機通常搭載的設備需要控制在15kg以內，并且飛行高度要低于3000m，同時飛行過程中的最大速度需要控制在33m·s-1范圍內。當應有情景和需求發生改變時，要對不同類型的傳感器進行選擇，從而使相關遙感數據得到有效的獲取。除此之外，分析輕小型無人機可知，該無人機會受到一定的約束，尤其在荷載能力等方面，使得遙感傳感器對相應的需求也要有效滿足，如質量相對較輕、功耗相對較小等[2]。當前，得到普遍應用的無人遙感傳感器以激光雷達等為主。在數據傳輸和處理系統的輔助下，可以形成相應遙感影像，同時也可以使相關模型以及光譜指數等有效形成。這些都屬于遙感產出結果，并且這些結果能夠在農作物調查以及產量評估等方面有效應用。

2.2 工作流程

輕小型無人機遙感在工作中獲取目標信息共計分為以下3個不同階段：前期準備階段。在該階段之中，需要對飛行空域申請、飛行條件判定等工作有效完成。同時無人機遙感在起飛之前對區域內信息進行了廣泛收集，包括地區地形以及地區范圍內的環境等，且還會對完成飛行任務后的著落點進行事先調查，以此確定相應的降落點。另外，飛行前工作人員還會對無人機設備系統參數進行適當調整，以滿足對于影像重疊度以及分辨率的需要；數據獲取階段，本階段需要無人機操縱者按照既定參數執行飛行任務，依據實時監控數據及時進行調整；后期數據處理階段，該階段核心任務是將采集到的圖像運用計算機進行相應處理，最終形成完整產品[3]。

3 輕小型無人機遙感在精準農業中的應用

3.1 在監測農田空間信息方面應用

在監測農田空間信息方面引入輕小型無人機遙感，不僅可以有效完成采集農田地塊地理坐標信息工作，還可以使農田中所種農作物得到有效分類。當這2方面的數據有效融合，可以對農作物實際種植面積有效計算，以此來使計算的精準度明顯提升。與此同時，在農田空間信息監測中，可以對無人機平臺攜帶的高清數碼相機等傳感設備有效應用，以此對農田空間信息進行高效精準的識別和判斷[4]。除此之外，隨著無人機遙感技術的不斷發展和應用，使得農田空間信息分辨率也隨之大幅度提升，從而使農田空間監測數據的精細化程度不斷提升。

3.2 農作物識別和精細分類

開展精準農業需要大量數據作為理論依據，因此在前期需要對農作物進行生物識別、選擇性提前、精細分類，此后才能順利開展農作物種植面積計算以及作物分析工作。輕小型無人機在進行作業時，其遙感技術是人工調查方法難以比擬的，不僅工作效率高而且信息實時回傳快，能夠有效節約人力成本開支。雖然從一定角度來講使用衛星遙感對農田進行識別效率更高，但由于對農作物細節信息收集能力較弱，并且太空與地面之間存在眾多干擾，實際應用效果與無人機存在較大差異，后者能夠更好地完成作物信息獲取任務。

3.3 在監測農作物生產狀態方面的應用

對農作物表型參數信息全面監測，監測的重點以葉面積指數為主，即單位農田地表之中單面綠葉面積的總和，以此來對農作物光合作用的效果全面反映。輕小型無人機遙感能夠在多光譜數據采集技術的基礎上，對地表農作物種植指數全面探測，同時對光譜參數相對應的數據有效提取，以此來使地表植被指數得到有效計算，從而使相關模型構建得以完成。近年來，該技術在空間構型方面的測量中有效應用；對農作物生長構成中營養指標相關信息有效獲取，不同農作物之間具有差異性光譜反射吸收特點，輕小型無人機遙感技術可以對該特點有效應用，以此診斷和判別不同類型農作物中的相關信息指標，如氮素含量等，如葉綠素在藍紫光和紅光中能夠發揮較強的吸收性特點，可以通過對顏色信息全面分析，對農作物營養情況開展全面探究，目前，相對成熟的研究成果是利用葉綠素含量作為指標來構建的預測模型[5]；監測農作物產量，目前的絕大多數研究都是在多因素綜合分析基礎上，不斷向高預測精度的產量預估技術發展過渡。在對農作物監測數據信息采樣工作全面開展時，在不同空間尺度的基礎上，對高光譜信息數據全面獲取，并完成農作物指數和產量模型的構建。該模型根據精度曲線變化規律完成相應預測，從而有效得出最適宜農田空間尺度面積。

3.4 田塊尺度的估產

實行精準農業的目的是提高農作物產量，因此在進行種植期間需要對整體產量進行預估，必要時針對突發變化還需要對預估產值進行調整。農作物自身不同部分向空中反射不同的光譜，輕小型無人機的遙感系統能夠對其有效進行獲取，從而獲得作物生長信息，構建出生長信息與產量之間的數學模型，進而對產量進行科學預估。同時，利用輕小型無人遙感在農作物生長期間對其生長情況進行動態化檢測，從而幫助種植人員全面掌握農作物生長情況，利用所監測的數據對農作物產量進行預判，不但可以提高預判結果和預測模型的精準度，同時還可以幫助種植人員適當調整農作物生長營養需求方案。

遙感技術通常以光譜反射率作為對農田產量預估時的計算參數，有時也會采用植被指數。輕小型無人機通常進行低空作業，而在進行農作物產量預算或生物總量估算時，可以對高空分辨率采集的影像進行獲取，從而完成相關作業。

3.5 在監測影響農作物生長因素方面的應用

在對影響農作物生長的因素進行監測時，需要利用到輕小型無人遙感，重點監測內容包括：在對農田濕度進行監測時，要對熱紅外監測技術全面應用，當農田中的農作物密度處于較高水平時，農作物就會將葉片氣孔調整到關閉狀態，使升騰作用產生的水土流失問題進行降到最低，這對于增加農田內地表熱通量有著重要作用，同時導致農作物冠層溫度加速上漲，此時要不斷加強對裸露土壤的注意力，當前眾多工作人員在進行實際工作或研究中都將工作目標和重點放在裸土溫度和農作物地表覆蓋度之上，這樣不僅能夠對裸土因素進行全面獲取，還能夠讓裸土因素在冠層監測數據中所產生的影響更加明顯，進而有效完成農田濕度監測工作；監測病蟲害，利用紅外光譜的發射效果，全面探測病蟲害和植物生長狀態之間的關系，對農作物葉片處于紅外區域時，研究的重點以柵欄組織狀況為主，當病蟲害出現時，柵欄組織會呈現枯萎的態勢，這樣在成像過程中，就會有一定的缺失現象出現，使成像的完整性受到影響[6]；其它影響因素信息，監測農藥的使用效果，全面分析植被覆蓋指數，對農作物成熟期葉片的老熟程度有效判斷，并在此基礎上合理化判斷施加的農藥效果，從而使農藥使用過量現象得到有效杜絕。

4 輕小型無人機遙感在精準農業中的應用發展趨勢

4.1 搭建高效便捷成本低廉的技術平臺

從無人機操作平臺的角度來講，想要使平臺穩定性提升，先要提升平臺和傳感器之間的穩定系數，以此來明顯提升相應的監測水平。對目前的輕小型無人遙感來講，不良因素不僅包括成本較高且運行欠缺穩定性，還因為操控平臺設計存在復雜性、對專業人員過度依賴等現象存在，從而使其在農田監測中的應用被限制。想要使這樣的現象得到改善，就要對高效便捷且成本低廉的無人機技術平臺全面構建，這也是未來的趨勢所在。

4.2 輕小型無人機遙感信息處理自動化和智能化

針對指定物質的相關數據與影像資料，都可以使用輕小型無人機遙感系統進行獲取，通過對該影像進行分析時可知，影像之中通常會存在幅寬較小、傾角無法保持重疊等現象，這樣導致相關工作的難度系數明顯增大，如影像校正。因此，輕小型無人機遙感技術的主要環節以實現影像自動化預處理為主，以此來使獲取的影像質量明顯提高。

當前，該方面的研究以簡單遙感獲取信息為主，并將重點都放在光譜特征反演農作物參數之上，同時對遙感信息和農作物生長參數之間的關系有效構建。但由于模型的準確性存在限制，從而使該遙感的使用區域受到限制。因此，在之后的研究中，要加強對該遙感的智能化和自動化的重視，如快速解析作物生長信息等。當該獲取和解析技術向全面化方向發展時，不僅為農業轉型提供思路，還可以為農業生產管理提供重要的支撐。

4.3 實施周期性監測農作物生長情況

為了使農田監測精準性顯著提升，可以有效應用輕小型無人機遙感。但是在應用的過程中會出現周期性或連續性不足的問題。周期性以及連續性是農作物生長過程中的主要特征之一，當農作物處于不同階段時，相關參數指標也明顯不同，當在構建相關模型時只利用單一參數時，就會導致該模型的全面性以及代表性明顯不足。以棉花為例分析可知，在構建模型時將參數設定成不同生育期適應性時，要對各個階段的信息進行分開分析和處理。同時監測農作物的同一生長參數時，由于生長周期的差異，使得相關監測數據也存在明顯的不同。由此可知，農作物生長周期和連續性信息數據成為輕小型無人機遙感技術未來的研究重點，利用周期性監測的方式，使監測的準確度得到全面提升。

5 結束語

從本文的論述中可知，在精準農業中應用輕小型無人機遙感具有十分重要的作用，可以對精準農業生產管理所需的數據有效獲取，并使農業不斷向精準農業有效轉變。除此之外，無人機遙感可以在田間尺度估產、農作物生長狀態監測等方面有效應用，使得多方面數據能夠有效融合，并為田間精準作業提供一定的指導，從而為農業的持續健康發展提供基礎保障。