無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用研究*

張 輝 ，楊張瑜 ，柴 茜

（自然資源陜西省衛(wèi)星應用技術(shù)中心，陜西 西安 710000）

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展直接影響到我國整體社會建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展水平。隨著信息化時代的到來，建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展體系成為當前我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注重點。大量實踐證明，將無人機遙感技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)作物各個生長階段快速、精準、全面的監(jiān)測管理，可以利用無人機獲取農(nóng)作物生長信息，從而對作物色素、含水率、細胞結(jié)構(gòu)、病蟲害、長勢等信息進行精準監(jiān)測。

1 無人機遙感技術(shù)概述

無人機遙感技術(shù)是指將無人機技術(shù)結(jié)合GPS技術(shù)、遙感傳感技術(shù)、通信技術(shù)等，對自然環(huán)境、國土資源和地震災區(qū)等地理空間信息進行監(jiān)測采集，并對采集的數(shù)據(jù)信息進行科學處理、建模及綜合分析的科學技術(shù)。無人機遙感技術(shù)在實際應用中具有智能化、專業(yè)化、自動化及科學化的特征。具體來講，無人機遙感技術(shù)可分成飛行載荷平臺與傳感器兩部分，飛行載荷平臺主要包括動力系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等，可分成無人直升機、固定翼無人機、旋翼無人機及飛艇等不同類型。其中，固定翼無人機和旋翼無人機應用成本較低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應用效果較佳。

2 無人機遙感技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 數(shù)據(jù)精準度高

利用無人機遙感技術(shù)獲取地面信息數(shù)據(jù)后，能夠?qū)Λ@取的信息數(shù)據(jù)進行快速處理。無人機搭載的攝像機具有較高的分辨率，能確保數(shù)據(jù)信息的精準性，利用信息處理技術(shù)能夠有效提取相關(guān)地物信息。

2.2 作業(yè)靈活性強

與其他遙感技術(shù)相比，無人機遙感技術(shù)具有作業(yè)靈活性強的特征，無人機的體積相對較小、質(zhì)量較輕，在飛行過程中具有更高的飛行速度與靈活性，只需依據(jù)提前設(shè)定好的飛行路線即可獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。同時，還可利用無人機進行自動巡航及農(nóng)藥噴施等作業(yè)[1]。此外，無人機遙感技術(shù)在應用中能夠?qū)崿F(xiàn)多角度的拍攝操作，實現(xiàn)對目標信息數(shù)據(jù)的全面收集，進一步加強數(shù)據(jù)信息的真實性與全面性，防止因外界事物干擾出現(xiàn)圖像模糊或者數(shù)據(jù)缺失等問題。

2.3 安全性高

無人機遙感技術(shù)在實際應用中主要依靠無人機進行相關(guān)作業(yè)，操作人員只需在地面控制平臺進行遠程監(jiān)控處理即可確保應用效果，以此獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并對監(jiān)測地區(qū)的具體情況進行相關(guān)處理。部分地區(qū)勘測工作具有較高的危險性與復雜性，人工作業(yè)形式難以確保獲取數(shù)據(jù)資源的真實性，且難以保證工作人員的安全，利用無人機遙感技術(shù)能夠大幅提高作業(yè)安全性，盡可能避免安全事故的發(fā)生。

2.4 監(jiān)測范圍廣

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于無人機遙感技術(shù)的需求標準逐步提升，促使無人機監(jiān)測范圍不斷擴大。在具體應用中不僅包括一些大范圍監(jiān)測工作，也包括對部分特定小區(qū)域的監(jiān)測。無人機遙感技術(shù)能夠通過對飛行高度、監(jiān)測角度等參數(shù)的調(diào)整實現(xiàn)高空間、大范圍、多角度的全面監(jiān)測，并能夠進行多臺同時監(jiān)測以及多次監(jiān)測[2]。此外，可采用三維仿真模擬技術(shù)對獲取的數(shù)據(jù)進行分析模擬，對監(jiān)測范圍內(nèi)的具體情況進行宏觀展示，包括病蟲害危害程度、范圍及類型等，以此為農(nóng)業(yè)部門的農(nóng)業(yè)整治工作提供數(shù)據(jù)支持。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸快

無人機遙感技術(shù)能夠快速精準地獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中相關(guān)農(nóng)業(yè)信息，并利用關(guān)聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的快速傳輸，可將無人機技術(shù)收集到的數(shù)據(jù)實時傳遞到地面監(jiān)測中心，確保農(nóng)業(yè)監(jiān)測工作的時效性與科學性，進而推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

3 無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的具體應用

3.1 農(nóng)作物監(jiān)測

利用無人機遙感技術(shù)能夠?qū)r(nóng)作物的基本情況、農(nóng)田土壤環(huán)境進行有效監(jiān)測，幫助管理人員對農(nóng)作物生長情況進行動態(tài)化、持續(xù)性的監(jiān)測管理，從而對農(nóng)作物展開定量與定性分析，逐步實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展目標，達到對農(nóng)作物生長過程的精準掌握。無人機遙感技術(shù)在實際應用中主要對農(nóng)作物生長參數(shù)變化情況、農(nóng)作物內(nèi)部元素含量變化等信息進行監(jiān)測采集。例如，可利用無人機遙感技術(shù)對水稻作物冠層特征進行采集，以此實現(xiàn)對水稻作物養(yǎng)分的有效診斷。無人機技術(shù)能夠利用自身紅外影像系統(tǒng)對農(nóng)作物生長情況進行精準監(jiān)測，對不同區(qū)域的農(nóng)作物具體生長情況進行科學計算，并利用統(tǒng)一化指標實現(xiàn)對農(nóng)作物具體生長情況的量化處理，結(jié)合處理數(shù)據(jù)制定具有針對性的優(yōu)化對策，確保農(nóng)作物生長情況與預期規(guī)劃相符，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益[3]。與此同時，無人機遙感技術(shù)能夠?qū)ν寥篮椭脖坏墓庾V信息進行監(jiān)測分析，對農(nóng)作物生長發(fā)育周期進行深入探究，基于多光譜遙感影像技術(shù)實現(xiàn)植被覆蓋情況的有效診斷。

例如，對小麥作物生長情況進行監(jiān)測，無人機遙感技術(shù)能夠?qū)π←湴喂?jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期等生長階段的狀態(tài)進行有效監(jiān)測，對小麥葉片葉綠素含量和不同波段之間的關(guān)系進行分析，結(jié)合多光譜信息設(shè)計出回歸模型，以此實現(xiàn)對葉綠素含量最佳回歸手段及生長階段的反演操作，從而為小麥生產(chǎn)管理提供良好的數(shù)據(jù)支持。

3.2 病蟲害監(jiān)測

農(nóng)作物生長過程中，如果出現(xiàn)大面積的病蟲害問題，會對農(nóng)作物生長發(fā)育造成不利的影響，進而導致農(nóng)作物葉片色素及冠層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)比較明顯的變化。利用無人機遙感技術(shù)能夠通過對各波段光譜特征的監(jiān)測實現(xiàn)對病蟲害情況的有效判斷，從而為病蟲害防治工作提供真實的數(shù)據(jù)支持，減少病蟲害問題對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失。在具體監(jiān)測過程中，需將病蟲害防治和后續(xù)時空監(jiān)測作為主要內(nèi)容，利用無人機航攝影像信息對病蟲害情況進行全面監(jiān)測，能夠基于敏感波段光譜反射信息建立病情指數(shù)回歸模型，以此監(jiān)測病蟲害具體程度，并對其影響范圍進行準確判斷。利用多光譜航攝信息精準定位病蟲害發(fā)生位置，利用多元化信息數(shù)據(jù)明確植被指數(shù)信息，反演農(nóng)作物葉綠素具體含量，從而為遙感技術(shù)參數(shù)診斷提供有效數(shù)據(jù)[4]。

例如，在對棉花作物進行監(jiān)控識別的農(nóng)業(yè)管理工作中，利用多光譜相機遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對棉花長勢、棉葉螨蟲害情況的有效監(jiān)測，基于高清相機收集到的相關(guān)影像信息，結(jié)合棉花作物的光譜響應規(guī)律篩選出特定的光譜指數(shù)，從而建立作物監(jiān)測模型，實現(xiàn)對大面積范圍內(nèi)棉花作物生長情況的有效監(jiān)測與病蟲害診斷。棉葉螨蟲害發(fā)生后會對棉花作物的內(nèi)部生理形態(tài)及外部形態(tài)造成侵害，導致棉花作物出現(xiàn)一系列病變現(xiàn)象，棉花作物對應的可見光與近紅外光的反射峰會發(fā)生明顯變化。在監(jiān)測過程中可選擇采集影像中的幾段波段數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合植被指數(shù)信息，最終形成棉葉螨蟲害回歸模型。

3.3 農(nóng)作物信息精準識別

從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況出發(fā)，對農(nóng)作物的精準識別是確保后續(xù)農(nóng)作物面積與相關(guān)信息測算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠為開展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)工作提供良好的數(shù)據(jù)支持。通過對歷史數(shù)據(jù)分析可知，無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的合理應用能夠顯著提升農(nóng)業(yè)信息收集與監(jiān)測的效率。無人機技術(shù)在應用時具有良好的抗干擾能力，以此實現(xiàn)對農(nóng)作物相關(guān)數(shù)據(jù)信息的有效收集，確保數(shù)據(jù)信息的精準性與真實性。從遙感類型角度分析，能夠?qū)⑵浞殖蓛煞N：第一種是基于像元的遙感方法，通過冠層相機進行相關(guān)數(shù)據(jù)收集，以此實現(xiàn)對農(nóng)作物波譜特征的深入分析；第二種是基于無人機航攝影像中的光譜特征與幾何特征，對農(nóng)作物進行分類處理，同時利用無人機設(shè)備采集的數(shù)字模型實現(xiàn)對農(nóng)作物的智能識別。

基于無人機遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對作物葉面積指數(shù)的有效提取。以玉米作物為例，無人機遙感技術(shù)能夠?qū)τ衩装喂?jié)期、抽雄期及成熟期等發(fā)育階段進行數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集，獲取玉米作物的葉面積指數(shù)，進一步構(gòu)建葉面積指數(shù)估算模型，最終篩選出玉米作物最佳監(jiān)測時期及植被指數(shù)[5]。無人機遙感技術(shù)在實際應用中通過搭載不同的相機設(shè)備以收集紅光、藍光、綠光、紅外光及近紅外光等光譜波段，在收集信息后利用專業(yè)軟件工具對航攝影像信息進行以下處理：初始化處理、正射影像處理、反射板校正處理、幾何校正、圖像裁剪等。

4 無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用趨勢

4.1 無人機遙感技術(shù)軟硬件技術(shù)的優(yōu)化

無人機遙感技術(shù)在實際應用中雖然具有操作靈活、尺寸小的優(yōu)勢，但也存在抗風能力差、飛行時間短及載荷性能弱的缺陷。農(nóng)業(yè)監(jiān)測工作需要依據(jù)不同的需求使用不同種類的傳感裝置，由于無人機技術(shù)應用成本及載荷能力的限制，現(xiàn)階段的研究內(nèi)容主要集中在多光譜相機和RGB相機中，而對于熱成像儀、高光譜傳感器等設(shè)備的研究較少[6]。同時，部分農(nóng)業(yè)監(jiān)測工作需要在一段時間內(nèi)進行連續(xù)監(jiān)測作業(yè)，這就對無人機設(shè)備的續(xù)航性提出了較高的要求。然而，目前的無人機多為中小型設(shè)備，在應用中存在通信距離較短和續(xù)航能力較差的問題，且在惡劣環(huán)境下會導致收集的影像數(shù)據(jù)受到一定程度的影響。無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究要對以上問題進行深入分析，結(jié)合行業(yè)標準需求與先進技術(shù)進行軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)化，不斷提高無人機設(shè)備的續(xù)航能力與通信能力，提高設(shè)備飛行過程中的穩(wěn)定性，并優(yōu)化其飛行控制算法與數(shù)據(jù)傳輸模式，以實現(xiàn)經(jīng)濟性、便捷性及長效性的目標。

4.2 不同平臺多時序、多源數(shù)據(jù)協(xié)同利用

現(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括地面、低空和高空3個高度的監(jiān)測，3種監(jiān)測手段在實際應用中各有優(yōu)缺點。航空領(lǐng)域監(jiān)測即高空監(jiān)測，主要應用于大面積監(jiān)測工程中，在信息精準度方面存在一定問題。地面監(jiān)測主要依靠人工作業(yè)，能夠保證數(shù)據(jù)信息的精準性，但是作業(yè)效率不高。而無人機技術(shù)屬于低空監(jiān)測，是對上述兩種方法的進一步補充[7-10]。而現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)監(jiān)測工作主要是對單一數(shù)據(jù)源進行采集獲取，難以全面反映農(nóng)作物的真實特征，且農(nóng)作物在不同生長發(fā)育階段具有不同的表現(xiàn)特征，地理環(huán)境及氣候天氣等因素會進一步擴大這種差異性，利用單一數(shù)據(jù)源難以建立具有代表性的數(shù)據(jù)模型。因此，如何將不同傳感器、不同監(jiān)測手段進行融合應用是現(xiàn)階段與未來的重要研究方向，需要對不同監(jiān)測手段進行科學有效的綜合利用，并融合不同時間、不同地域及不同尺度的監(jiān)測信息，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的深入挖掘。

5 結(jié)語

無人機遙感技術(shù)是對低空監(jiān)測遙感技術(shù)的補充，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域具有良好的應用效果，能夠有效控制技術(shù)應用成本，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的精準性、真實性與全面性，并能夠進一步提高農(nóng)業(yè)監(jiān)測的效率與質(zhì)量。因此，其在農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注與應用，如病蟲害監(jiān)測、農(nóng)作物信息監(jiān)測與精準識別等。但是，無人機遙感技術(shù)在實際應用中同樣存在一定的缺陷，需要結(jié)合實際情況選擇性應用，以此為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供良好的技術(shù)支持，最終推動我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。