無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與案例設(shè)置

賈彪 王銳 孫權(quán) 賀正 辛明

摘 要：該文分析了農(nóng)業(yè)信息學(xué)的課程設(shè)計與本科教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合近年來課程最新研究內(nèi)容設(shè)計了基于無人機(jī)技術(shù)的玉米出苗率、葉面積指數(shù)、株高、生物量、葉綠素及葉片氮含量監(jiān)測等6個教學(xué)案例，旨在提高學(xué)生上課的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和動手能力，推動教學(xué)改革，為涉農(nóng)專業(yè)高層次應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)信息學(xué);無人機(jī)遙感技術(shù);課程案例

中圖分類號 G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）01-0154-03

1 引言

農(nóng)業(yè)信息學(xué)作為農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)一門交叉的新學(xué)科與技術(shù)深度融合，是作物栽培生理、農(nóng)業(yè)遙感和智能決策等領(lǐng)域的交叉與創(chuàng)新，研究空間大，知識融通性強(qiáng)，有助于將關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。其先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取手段與數(shù)據(jù)采集方法，拓展了無人機(jī)遙感在農(nóng)作物圖像處理、光譜數(shù)據(jù)分析、光合機(jī)理、生理特征、幾何形態(tài)研究的廣度和深度，為作物精準(zhǔn)栽培與智慧農(nóng)業(yè)研究方法的創(chuàng)新與發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化、定量化，信息化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持[1-3]。隨著無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，其核心技術(shù)如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)已經(jīng)開始應(yīng)用于作物農(nóng)藝參數(shù)監(jiān)測中，提高了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率[2]。該技術(shù)在農(nóng)學(xué)類專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，提高了農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的教學(xué)水平和質(zhì)量，為我國培養(yǎng)了一批該領(lǐng)域高層次專業(yè)人才[3-6]。

雖然在教學(xué)過程中已取得了一定的成就，但受教師們傳統(tǒng)教學(xué)的影響，教學(xué)中仍存在一定問題，如教師單方面灌輸知識[7]，農(nóng)業(yè)信息化教學(xué)內(nèi)容中圖像處理，無人機(jī)飛行線路規(guī)劃較為難懂，導(dǎo)致學(xué)生難以理解，積極性差，最終教學(xué)效果不理想。課堂部分授課內(nèi)容若讓學(xué)生自主設(shè)計、并參與，定能增加學(xué)生積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。作物學(xué)教學(xué)特點就是要求學(xué)生去基地實訓(xùn)，通過親身實踐更好地理解課程內(nèi)容。

無人機(jī)遙感（UAV Remote Sensing）具有較大的適用性、機(jī)動性，技術(shù)的快速發(fā)展，其搭載數(shù)碼越來越高分辨率的數(shù)碼相機(jī)，UAV遙感在農(nóng)業(yè)上正成為一種有潛力技術(shù)，可用于監(jiān)測作物農(nóng)藝參數(shù)。目前，UAV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，并取得了一系列的成果，在一定程度上推動了農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展[8]。然而，由于其包含了作物學(xué)、圖像處理、無人機(jī)飛行操作等較多的知識點，要完成這些實踐內(nèi)容，就要求學(xué)生多角度、多層次的掌握綜合知識。通過讓學(xué)生參與基于無人機(jī)的作物長勢與營養(yǎng)監(jiān)測的實踐探究，可以培養(yǎng)他們的綜合能力，提升教學(xué)質(zhì)量，為農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展培養(yǎng)基礎(chǔ)人才[9]。

為了提作物學(xué)本科生學(xué)習(xí)的積極性，筆者結(jié)合目前的研究內(nèi)容基于無人機(jī)的玉米生產(chǎn)長勢與營養(yǎng)診斷，將該內(nèi)容設(shè)計為6個教學(xué)案例，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)知識，即基于無人機(jī)的玉米出苗率、葉面積指數(shù)、株高、地上部干物質(zhì)量、葉綠素值、葉片含氮量監(jiān)測，旨在推動教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

2 教學(xué)案例

2.1 基于無人機(jī)遙感的玉米出苗率估算 出苗率是玉米大田生產(chǎn)的一個重要指標(biāo)，及時確定出苗率對于栽培管理決策如補苗、灌水等措施具有重要意義，同時也能預(yù)測產(chǎn)量。常規(guī)方法評估過程通過人工數(shù)苗，費時費力，且容易出現(xiàn)視覺疲勞，造成準(zhǔn)確率下降。目前，基于無人機(jī)遙感，通過圖像分析處理技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確地監(jiān)測大田作物的早期出苗率。

采用Photosacn軟件自動將無人機(jī)獲取的單張高清影像拼接成一個整體，在識別出苗率的研究中，由于最大類間方差法的較好性能可以用于多種作物與作物分割，所以選擇最大類間方差閾值分割法分割識別玉米圖像。玉米4葉期后葉片之間會有重疊，按照常規(guī)計數(shù)法會將重疊在一起的幾株玉米識別成1株，造成準(zhǔn)確率降低。通過幾何特征如葉片的長寬比、形態(tài)參數(shù)可區(qū)分識別重疊植株，通過識別重疊區(qū)形態(tài)特實現(xiàn)玉米植株計數(shù)，建立玉米苗期數(shù)的回歸模型。該方法也可較好地識別雜草，提高出苗率識別的準(zhǔn)確性。通過比較基于無人機(jī)與人工數(shù)苗的差異，可以評估該方法的精確性。

2.2 基于無人機(jī)遙感的葉面積指數(shù)監(jiān)測 LAI是作物冠層性能及其生長和產(chǎn)量潛力的指標(biāo)，是栽培和育種研究中重要的先決條件，精準(zhǔn)估計LAI對于監(jiān)測玉米的生長狀況尤為重要。無人機(jī)遙感作為一種新型非破壞性的測量方法，已被廣泛應(yīng)用于估計作物的LAI，特別是在較大尺度范圍下優(yōu)勢明顯。在玉米關(guān)鍵生育時期如苗期、拔節(jié)期、吐絲期，通過UAV獲取冠層數(shù)字圖像并處理，提取圖像紅綠藍(lán)（R、G、B）通道值，用于LAI相關(guān)性較高的圖像色彩參數(shù)如G-R，并用公式計算冠層覆蓋度CC。以UAV圖像提取的色彩參數(shù)與大田測量LAI為基礎(chǔ)，通過不同回歸分析方法，如單變量回歸、偏最小二乘估計法以及精確性較高的機(jī)器學(xué)習(xí)方法如回歸和隨機(jī)森林何支持向量機(jī)法構(gòu)建基于UAV的LAI估算模型，并通過R2和RMSE進(jìn)行模型檢驗，選出估測LAI的最佳圖像參數(shù)與回歸方法，建立LAI最佳模型，為大面積玉米栽培措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 基于無人機(jī)遙感的玉米株高估算 株高是評價大田作物生長狀況的重要的農(nóng)藝參數(shù)，株高的改變對于作物倒伏能力有著重要影響，并影響收獲指數(shù)，最終影響作物籽粒產(chǎn)量。將基于UAV作物株高監(jiān)測數(shù)據(jù)融入作物模型數(shù)據(jù)同化中，既有利于降低觀測成本，也可提高作物（如玉米）的產(chǎn)量估算精度，因此株高是栽培和育種中一個重要的監(jiān)測指標(biāo)。通過基于無人機(jī)高清遙感圖像不同生育時期的生產(chǎn)的數(shù)字地面模型DSM相互作差，可以進(jìn)行玉米株高的提取，在播種后進(jìn)行試驗田裸地圖像獲取，將根據(jù)GPS定位田間獲取生成地面坐標(biāo)基點DSM0，在玉米拔苗期、節(jié)期、吐絲期獲取無人機(jī)影像定義為DSM1、DSM2、DSM3，通過不同生育時期的DSM高度坐標(biāo)（DSM1、DSM2、DSM3）減去基點（DSM0）即可得出玉米植株高度，通過實測的數(shù)據(jù)來進(jìn)行模型精確度評價。

2.4 基于無人機(jī)遙感的玉米生物量監(jiān)測 生物量作為作物光合產(chǎn)物積累的最終體現(xiàn)，經(jīng)常用于反映作物植株長勢，產(chǎn)量形成與預(yù)測具有決定性意義，及時、準(zhǔn)確地獲取田間作物大規(guī)模作物干物質(zhì)量，可以為作物精準(zhǔn)生產(chǎn)管理提供依據(jù)。UAV遙感是獲取田間植株生物量行之有效的手段。通過提取數(shù)字圖像的色彩參數(shù)如R、G、B及監(jiān)測生物量的常用植被指數(shù)如超綠植被指數(shù)（ExG）和歸一化差分指數(shù)（NDI）等，以及一些常用紋理參數(shù)如能量（ASM）熵（ENT）等。通過相關(guān)性分析選出與各生育時期生物量相關(guān)性較高的圖像色彩與紋理參數(shù)，通過逐步回歸法與支持向量機(jī)回歸法對比分析，找出模型精度較高的回歸方法，建立并檢驗基于UAV的玉米生物量的監(jiān)測模型，為監(jiān)測玉米生長狀況提供相應(yīng)的方法。

2.5 基于無人機(jī)遙感的玉米葉綠素含量、葉片氮含量監(jiān)測 葉綠素值和葉片氮素營養(yǎng)狀況是反映作物光合能力及作物營養(yǎng)元素虧缺的主要指標(biāo)。如何利用數(shù)字圖像無損監(jiān)測作物葉綠素值和葉片氮素的營養(yǎng)狀況，一直是作物營養(yǎng)狀態(tài)領(lǐng)域的研究熱點。近些年來，UAV已被廣泛應(yīng)用于及時、無損監(jiān)測作物氮素營養(yǎng)狀態(tài)，以實現(xiàn)作物精準(zhǔn)施肥，提高肥料利用率。通過獲取玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期的冠層圖像，并同步測定葉片葉綠素值、含氮量，提取圖像中CC、ExG等圖像色彩參數(shù)，計算圖像平滑度、均值、三階矩等紋理特征。為提高模型精度，通過輸入不同組合圖像值用R語言進(jìn)行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法，建立基于圖像色彩和紋理參數(shù)的氮素營養(yǎng)診斷算法模型。

2.6 大田作物系數(shù)無人機(jī)多光譜遙感估算 作物系數(shù)快速獲取是大田作物產(chǎn)量等估算的關(guān)鍵，為了解無人機(jī)多光譜遙感估算作物系數(shù)的可行性和適用性，在教學(xué)實踐中以寧夏實驗站大田玉米、水稻、小麥為研究對象，以土壤、氣象等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為例證，采用氣象因子和作物覆蓋度校正后的雙作物系數(shù)法計算不同生長時期與不同水分脅迫的作物系數(shù)，并使用自主研發(fā)的無人機(jī)多光譜系統(tǒng)航拍玉米的冠層多光譜（藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外，475～840nm）影像，給本科生講解作物不同生長時期（快速生長期、生長中期和生長后期）的幾種常用植被指數(shù)，如歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（SAVI）、增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）、比值植被指數(shù)（RVI）、綠度歸一化植被指數(shù)（GNDVI）等對作物的影響，讓學(xué)生從光譜的角度深入認(rèn)識無人機(jī)多光譜技術(shù)估算作物系數(shù)具有一定的可行性。

3 小結(jié)與討論

綜上所述，無人機(jī)遙感已廣泛應(yīng)用于作物栽培和育種領(lǐng)域研究，可有效彌補衛(wèi)星遙感與地面觀測的不足，排除中大尺度監(jiān)測的異質(zhì)性。隨著現(xiàn)代作物栽培學(xué)與新興學(xué)科領(lǐng)域的交叉與融合，作物栽培管理正從傳統(tǒng)的模式化和規(guī)范化向著定量化和智能化的方向邁進(jìn)。由無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息學(xué)教學(xué)中應(yīng)用與教學(xué)案例設(shè)置可以看出，農(nóng)業(yè)信息學(xué)課程的最大特點是將典型的信息技術(shù)應(yīng)用于課程設(shè)計中去，并對所涉及的技術(shù)、研究對象和過程加以數(shù)字化應(yīng)用、信息化感知、動態(tài)化模擬等，從而實現(xiàn)農(nóng)作物信息化管理的定量化與精確化。

通過10多年的教改探索和教學(xué)實踐，本文基本上構(gòu)建了具有寧夏大學(xué)地域特色的農(nóng)業(yè)信息學(xué)教學(xué)方法和技術(shù)提高體系，重點在為涉農(nóng)專業(yè)如農(nóng)學(xué)、植物保護(hù)、農(nóng)業(yè)資源利用等專業(yè)本科生的農(nóng)業(yè)信息學(xué)教學(xué)方案與設(shè)計提供了有力的幫助，取得了顯著的教學(xué)成果，實現(xiàn)了基于信息技術(shù)體系的涉農(nóng)本科生農(nóng)業(yè)信息學(xué)教學(xué)管理方案與優(yōu)化設(shè)計。農(nóng)業(yè)信息學(xué)教學(xué)和農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的未來發(fā)展將需要深入推進(jìn)農(nóng)作物模擬技術(shù)、傳感技術(shù)、決策技術(shù)等的交叉融合，在教學(xué)過程中不斷完善農(nóng)業(yè)信息技術(shù)教學(xué)方案的精確設(shè)計，把農(nóng)作物生長狀況精確診斷、作物生產(chǎn)力精確預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)不斷地增加到教學(xué)過程中，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)信息軟件相關(guān)系統(tǒng)和硬件產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用與示范推廣，從而促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息學(xué)不斷向著智慧化方向邁進(jìn)。

農(nóng)業(yè)信息學(xué)教學(xué)改革將農(nóng)作物精確栽培技術(shù)深度增加到教學(xué)過程中，進(jìn)一步完善了教學(xué)內(nèi)容，以栽培科學(xué)與信息科學(xué)的交叉為主要特征，將有助于提升涉農(nóng)專業(yè)本科生的認(rèn)知能力、感悟能力、實踐能力。同時，對于作物栽培學(xué)的定量化和工程化等具有重要的推動作用，使得現(xiàn)代農(nóng)科類大學(xué)生規(guī)范化的步入精確化、科學(xué)化栽培時代。

然而，農(nóng)業(yè)信息學(xué)課程改革還需要不斷地進(jìn)行科學(xué)技術(shù)與內(nèi)容創(chuàng)新，在技術(shù)與內(nèi)容創(chuàng)新方面著力關(guān)鍵技術(shù)的突破。首先，加強(qiáng)農(nóng)作物的大量營養(yǎng)元素以及病、蟲、草、鼠害等信息的實時性監(jiān)測及數(shù)字化處理教學(xué)內(nèi)容，深化和拓展作物生長生理指標(biāo)的實時感知和定量診斷等關(guān)鍵技術(shù)講授。其次，教學(xué)內(nèi)容要拓展極端氣候環(huán)境如高溫和低溫對作物生長與生產(chǎn)力形成的動態(tài)影響及定量模擬內(nèi)容，構(gòu)建功能與結(jié)構(gòu)一體化的可視化數(shù)字化作物生長虛擬平臺，通過平臺的展示，讓學(xué)生獲得猶如身臨其境的感受。再次，不斷完善作物管理知識模型的相關(guān)技術(shù)與內(nèi)容，讓學(xué)生明確作物品種性狀、土壤特性、技術(shù)指標(biāo)等關(guān)鍵參數(shù)的變化特征和量化方法，促進(jìn)處方設(shè)計與管理調(diào)控的精量化和科學(xué)化。最后，加強(qiáng)精確栽培技術(shù)與空間信息技術(shù)的融合的教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)由點到面、由田塊到區(qū)域的尺度化跨越，提升教學(xué)內(nèi)容的空間性。

在應(yīng)用開發(fā)方面，農(nóng)業(yè)信息學(xué)應(yīng)強(qiáng)化農(nóng)作物精確栽培技術(shù)軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備的研制開發(fā)，注重對產(chǎn)品在教學(xué)過程中的應(yīng)用。在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生未來的發(fā)展前景，基于農(nóng)作物精確栽培關(guān)鍵技術(shù)，研制開發(fā)便攜式和機(jī)載式作物生長傳感設(shè)備、基于遙感的作物生長監(jiān)測與診斷系統(tǒng)、基于模型的數(shù)字化農(nóng)作模擬與設(shè)計系統(tǒng)、基于模型和3S的綜合性作物智慧管理系統(tǒng)等，為未來作物精確栽培提供工程化產(chǎn)品和實用化平臺。打破傳統(tǒng)作物栽培“軟”技術(shù)的標(biāo)簽，促進(jìn)農(nóng)藝處方與農(nóng)機(jī)作業(yè)的有效結(jié)合，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)與硬件裝備的配套應(yīng)用。同時，加快技術(shù)產(chǎn)品在不同區(qū)域不同條件下的示范應(yīng)用，并探索建立不同層次用戶的技術(shù)應(yīng)用模式，從而使作物精確栽培技術(shù)更快更好地服務(wù)于規(guī)?；?、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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（責(zé)編：張宏民）