探索無人機遙感在智慧農業教學改革中的應用

摘 要：近年來，無人機遙感已成為低空遙感領域的熱門和前沿，在新疆農業智能化發展趨勢中扮演著重要角色。為了適應這一特點，新疆高校新設的智慧農業專業需要不斷探索融入無人機教學的課程建設新模式。本文以智慧農業暑假實踐課的教學改革為例，提出樹立以解決產業實際問題為導向的教學目標，通過深入分析和研判產業問題背后的技術需求，來設計“無人機+”的理論和技術解決方案，并據此來指導課堂教學和野外實踐的教學內容，探索培養具備理論和應用專業技能的復合農業技術人才。

關鍵詞：智慧農業；暑假實踐課；教學改革；無人機遙感

1 概述

近年來，從自動駕駛播種、無人機巡田，到智能灌溉與病蟲害預警系統，一系列新技術賦能作物生產，新疆糧棉產業機械化、數字化、智能化應用日趨廣泛，催生出集高效、綠色、可持續為一體的農業生產方式，農業新質生產力正在助力新疆糧棉量穩質升。通過搭載各類傳感器，無人機能夠在低空飛行，實時獲取大范圍超高分辨率的地物影像數據。無人機以其負載、靈活機動性和低成本的特點，成為近年來低空遙感技術的熱點之一［1］。其中，大疆DJI在無人機系統領域已成為全球領先品牌，以“無人機+”的理念不斷革新、開放技術，與合作伙伴、開發者共同將無人機應用引入工作流中，助力實現產業生態智能化升級。

21世紀是知識經濟時代，科技日新月異。為了適應這一時代特點，147所“雙一流”建設高校中的37所開始設置智慧農業學院/專業。其中，中東部“雙一流”高校的智慧農業專業數量占比超過50%，西北地區“雙一流”高校僅有新疆大學和石河子大學開設智慧農業專業。石河子大學智慧農學系和新疆大學智慧農業學院分別成立于2022年和2023年，在教師隊伍、學科設置、人才培養等環節正處于起步和快速發展階段。大學生不僅是新質生產力教育的主要受眾群體，還是推動生產力不斷革新的關鍵力量，對其無人機遙感原理和應用的培養關系到新疆智慧農業產業的健康、可持續發展。如何通過教學實踐，將理論知識與實際應用相結合，培養解決實際生產問題的能力，是新疆高校智慧農業學科需要不斷探索和思考的重要問題。

2 樹立以解決實際問題為導向的教學理念

智慧農業致力于培養服務農業農村現代化發展戰略需求，能將信息技術、生物技術、現代工程裝備技術、現代經營管理知識與農學有機融合的高素質創新型復合人才［2］。這一特點就決定了智慧農業學科的暑期實踐教學應不同于傳統農學、生態學和環境科學的暑期實踐，其需要樹立以應用為導向、以需求為牽引的多學科交叉理念。

智慧農業產業問題可由屬地企業、農業技術推廣中心和家庭農場提出，大學教師通過走訪調研、采集匯總并按照六大產業屬性對產業問題進行分類，明確技術性產業問題背后的共性和特性技術需求。本文列舉一些新疆農業生產實際中遇到的問題以及相應的無人機技術需求：新疆農業生產以膜下滴灌技術為主，在實際生產中由于滴灌帶連接不當和閥門連接不緊、管道堵塞、出水口損壞、滴灌帶老化等造成跑水現象，存在如何利用DJI無人機熱紅外遙感監測大農田滴灌帶跑水點和面；北疆和南疆局部地區每年3～5月份大風揚沙天氣頻繁，嚴重侵蝕農用地膜并導致地表裸露和幼苗建植率低，存在如何利用無人機熱紅外遙感快速監測風蝕地膜破損程度；其他技術需求還有利用DJI無人機多光譜遙感預報糧棉產量、無人機激光雷達作物立體成像和長勢分析以及病蟲害監測等。

3 基于具體技術需求來設計課程目標和內容

暑假實踐課的課程背景、課程目標和課程內容圍繞上述產業技術需求依次展開。本文以“無人機遙感技術在家庭農場棉花生產中的應用及效果評價”為例，探索DJI無人機在智慧農業暑假實踐教學改革中的應用。

3.1 課程背景

課程不僅要強調無人機技術作為新質生產力在農業上的應用重要性，還需要明確課程需要做什么樣的工作及其目的與意義是什么。針對無人機遙感技術在家庭農場棉花生產中的應用及效果評價，課程背景可以設置如下：由于無人機平臺的低空遙感新技術具有快速、無損、高效、靈活、全面等優勢，在現代農業發展中得以廣泛推廣應用，通過點—面結合的方式對作物長勢進行實時、快速、大面積準確的監測和評估，以便因地、因時、因苗來制定最合適的生產管理措施。

3.2 課程目標

按照無人機型號，DJI智能化飛行平臺包含兩種主要類型，即經緯系列和Mavic 3系列（表1）。除了經緯RTK之外，其他機型能夠搭載的云臺相機較為固定。實踐課所用機型取決于課程目標和內容。在本文“無人機遙感技術在家庭農場棉花生產中的應用及效果評價”中，課程目標可以設置為：以無人機遙感技術在農場大田棉花生產的管理過程為切入點，通過用無人機搭載數碼相機和多光譜相機的遙感技術，對農場棉花生產過程中的日常巡田檢查、作物生育期長勢指標監測等方面進行分析和試驗，讓學生掌握農學和無人機遙感的基本概念和原理，提高學生的無人機遙感應用技能，培養學生的三農情懷和價值觀。

具體來說，知識目標包括掌握無人機遙感的概念、無人機遙感系統的組成、攝影成像和方式、植被指數、棉花生活史等基本知識和概念。技能目標：（1）掌握無人機可見光和多光譜相機圖像獲取與處理技能；（2）掌握無人機可見光云臺的面巡、鳥瞰巡和點巡等三種巡田方式，掌握無人機可見光云臺觀察棉田雜草發生情況的技能；（3）掌握植被指數反演棉花長勢的方法。情感態度價值觀目標包括：（1）培養學生對無人機遙感技術的興趣和熱情；（2）培養學生批判性思維和創新思維；（3）培養學生團隊合作和溝通能力的意識。

3.3 課程內容

3.3.1 課堂教學模塊

課堂教學模塊目的是讓學生掌握無人機遙感概念和應用的重難點知識，學會試驗設計、圖像獲取與處理的技能知識，為順利開展野外實踐模塊做好理論基礎，這一系列知識內容需要約5課時（表2）。課堂教學模塊擬安排2個課時開展無人機遙感平臺、無人機遙感傳感器和無人機遙感在農業上的應用進展等三個方面內容的學習。在無人機遙感平臺方面，重點講解無人機定義、多旋翼無人機和固定翼無人機及其優缺點。在無人機遙感傳感器方面，了解傳感器的主要類型：數碼相機、多光譜相機、高光譜成像儀、熱紅外成像儀、激光雷達等，重點講解數碼相機和多光譜相機的工作原理、成像特點等。在課堂講授過程中，通過引入一些實際應用案例，來詳述數碼相機和多光譜相機在農田面積測繪、農田地塊區劃、農作物識別、雜草識別、倒伏狀況、作物長勢分析、病蟲害脅迫分析和葉面積指數估算等方面的應用進展。

試驗設計的課堂教學擬安排1個課時，講解試驗設計的原則和注意事項。一個完整的試驗設計，就是有目的地去解決科學問題的過程，根據實驗目的需要去設計實驗的具體方法、步驟。在實驗設計過程中，需要遵循以下原則：科學可行性原則、對照與均衡性原則、隨機性原則、可重復性原則。具體到本文的應用案例，需要明確研究區域、試驗時間、棉花品種、種植管理方式。其中，研究區域指的是擬選定用來開展無人機作業和地面采樣的農田。試驗時間指的是無人機作業的月份，需要結合大田生產安排來進行。種植管理方式涉及棉花的行間距、施肥、灌溉、種植密度等農事信息。日常巡田檢查照片獲取根據棉花生育期和大田實際生產需要，每周拍攝一次，同時結合重點時期、特殊情況等隨機獲取，然后按需求對棉田雜草發生、生產措施執行檢查等照片進行分析和評價。多光譜影像的獲取與巡田檢查同時段進行，對相同管理措施下的不同條田進行多光譜數據的采集。無人機遙感數據采集的最佳時間應選在太陽光照輻射強度穩定、天空無云的時段，以提高影像清晰度和數據質量，一般選擇在北京時間上午12點到下午4點之間進行。

圖像獲取與處理的課堂教學擬安排2個課時，講解巡田圖像獲取和多光譜圖像獲取以及處理。巡田圖像獲取使用多光譜無人機，巡田方式根據需要采用面巡、鳥瞰巡、點巡三種方式相結合，圖像采集時間每周進行一次，同時結合實際生產管理采用不定時拍攝，然后選取適用于本研究內容的數碼圖像進行分析。多光譜圖像使用多光譜無人機獲取，制定具體拍攝時間，采用手動拍攝方式，拍攝高度約為50m。選擇處于花鈴期的10個條田分別進行多光譜影像獲取，每個條田分別拍攝藍光、綠光、紅光、紅邊和近紅外五個波段的多光譜照片5張，共計拍攝多光譜照片60～70張。

無人機巡田檢查，主要依托無人機配備的可見光/數碼相機，拍攝采集農田高清圖像，隨后導入電腦，管理人員運用專業知識對拍攝所得的田間圖像進行細致觀察與分析，以準確掌握農田雜草分布和生長的實際狀況。在這一過程中，無須進行額外的圖像處理工作。對多光譜影像的處理流程包括各波段影像拼接、裁剪以及反射率數據提取，為了確保無人機影像的準確拼接，選用大疆智慧農業平臺（大疆智圖軟件）進行操作。在拼接過程中嚴格遵守操作步驟和規范，確保每一幅影像都能準確地融合在一起，從而形成各波段完整連續的研究區影像。拼接后的影像往往包含超出研究區的部分，為了確保研究區準確性，需要進一步進行影像裁剪。在完成影像拼接和裁剪后，進一步利用ENVI軟件提取反射率并計算植被指數，最后生成植被指數空間分布影像圖。

植被指數（VI）是通過遙感技術獲取的衛星或航空影像數據，經過特定的數學運算得出的數值。植被指數能夠反映地物植被的生化特征、冠層大小、生長速度等關鍵信息［3］。植被指數的種類繁多，可以選取物理意義清晰、可信度較高且與作物葉面積指數、地上生物量相關的5～7種多光譜植被指數進行研究，比如，歸一化植被指數NDVI、綠波段歸一化差值植被指數GNDVI、歸一化差異紅邊植被指數NDRE、優化土壤調節植被指數OSAVI和增強植被指數EVI。為了分析棉花長勢指標與實測數據的相關性，需要無人機影像與地面實測數據相對應。所以，在采集無人機影像數據的同時也采集地面數據。葉面積測定點與遙感影像感興趣點（ROI）要相對應，采用收獲法測定地上生物量和葉面積指數［4］。

3.3.2 野外實踐模塊

野外實踐模塊包括活動前期準備、活動實施、室內樣品處理和分析等。活動前準備先要確定實踐地點，可以選擇教師所熟悉的區域或者距離院校近的地點。依據課堂教學制定的實踐內容，制訂實踐活動方案，包括實踐目標、實踐內容、分組安排和安全措施等。接下來，準備實踐物質，包括研究區的農業區劃背景圖、筆記本、相機、記錄工具、無人機遙感系統、剪刀、自封袋、記號筆、測量尺、電腦等。

活動實施需要按照既定的活動方案展開，組織學生按照小組形式進行無人機飛航和數據采集。在研究區現場，教師現場講解棉田雜草類型和生長特點、無人機航線設置和飛行參數配置，引導學生觀察、記錄、分析棉花長勢和實時閱覽無人機圖像。無人機數據采集結束后，設置地上生物量采樣點，記錄經緯度坐標，收獲棉花地上生物量和葉片。

室內樣品處理和分析包括無人機遙感影像的拼接、裁剪和后續處理，以及棉花植株室內烘干和葉片掃描等。各小組開展數據處理和分析，討論交流，撰寫試驗報告。在分析植被指數與葉面積指數關系時，采用線性回歸擬合方法量化二者的相關性。

結語

新疆高校應依托地域特色，在暑期實踐課中引入無人機遙感技術，創新智慧農業教學模式。通過農田航測、作物遙測等實操環節，讓學生掌握三維空間數據采集與分析技能，深化對精準農業的理解，培養學生解決實際農業問題的能力，為農業現代化人才培養提供新路徑，推動產教融合與教學改革，為服務區域農業智能化發展注入新動能。

參考文獻：

［1］郭朝賀，張立嬌，董志平，等.小麥—玉米一年兩熟區病蟲草害無人機遙感精準監測技術及其應用［J］.河北農業科學，2025，29（01）：5565+100.

［2］趙春江.智慧農業發展現狀及戰略目標研究［J］.智慧農業，2019，1（01）：17.

［3］高銘陽，張錦水，潘耀忠，等.結合植被指數與作物高度反演冬小麥葉面積指數［J］.中國農業資源與區劃，2020，41（08）：4957.

［4］XUE W，LINDNER S，NAYHTOON B，et al.Nutritional and developmental influences on components of rice crop light use efficiency［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2016（223）：116.

基金項目：2024年度新疆大學國家級大學生創新訓練計劃——綠洲農田土壤質量空間變化特征及其驅動機制研究（202410755115）；新疆維吾爾自治區“天池英才”創新領軍人才計劃（51052401407）

作者簡介：薛偉（1985— ），男，漢族，山東泰安人，理學博士，副教授，博士生導師，主要從事綠洲農田生態學研究。