無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

馬 樂(lè) 黃超偉

（安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安陽(yáng) 455000）

農(nóng)業(yè)航空起始于20世紀(jì)20年代。目前，世界各國(guó)航空技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不可缺少的一部分?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)是需要快速獲取農(nóng)田的農(nóng)作物信息，以此來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況、病蟲害等情況，并預(yù)估農(nóng)作物的產(chǎn)量。因此，將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)情監(jiān)測(cè)服務(wù)智慧農(nóng)業(yè)，其優(yōu)越性是地面機(jī)械無(wú)法替代的。此外，無(wú)人機(jī)在農(nóng)田病蟲害防治、種子播撒等農(nóng)業(yè)的多個(gè)方面都具有廣泛應(yīng)用[1]。

1 無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用基礎(chǔ)

1.1 國(guó)家政策基礎(chǔ)

在2021年我國(guó)相關(guān)部門發(fā)布的《河南確保全省糧食種植面積不低于1.6億畝 防止耕地“非糧化”》文件中明確指出河南省的糧食種植面積指標(biāo)要?jiǎng)?wù)必完成，確保全省糧食種植面積不低于1.6億畝，保障糧食產(chǎn)量穩(wěn)定在650億kg以上。

在2018年的一號(hào)文件中，“實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”是黨的十九大作出的重大決策部署。要優(yōu)化農(nóng)業(yè)從業(yè)者結(jié)構(gòu)，加快建設(shè)知識(shí)型、技能型、創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者隊(duì)伍。要大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)林業(yè)水利工程，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)示范和遙感技術(shù)應(yīng)用。

另外，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中央網(wǎng)信辦印發(fā)的《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019—2025年）》中提出，需要以產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化發(fā)展為主線，以數(shù)字技術(shù)與農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)深度融合為主攻方向，進(jìn)一步提升技術(shù)集成能力。

1.2 技術(shù)基礎(chǔ)

無(wú)人機(jī)屬于高新技術(shù)前沿科技產(chǎn)業(yè)，具有運(yùn)行成本低、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)動(dòng)性能好、可進(jìn)行超視距飛行以及使用方便高效等特點(diǎn)，目前已被成功應(yīng)用于地址勘探、農(nóng)藥噴灑等領(lǐng)域[2]。多光譜成像儀是一種能夠同時(shí)獲取光譜特征和空間圖像信息的基本設(shè)備，是光電成像系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。無(wú)人機(jī)搭載多光譜成像儀能夠根據(jù)綠色植物對(duì)光線的反射率生成檢測(cè)報(bào)告，如圖1所示，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中正常農(nóng)作物的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷農(nóng)作物是否生病，并能對(duì)病變農(nóng)作物提供解決方案。

圖1 綠色植物對(duì)光線的反射率

1.3 市場(chǎng)基礎(chǔ)

根據(jù)2021年人口普查數(shù)據(jù)，居住在農(nóng)村人口占比36.11%，“三農(nóng)”問(wèn)題關(guān)系社會(huì)穩(wěn)定與國(guó)富民強(qiáng)。實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工程，建成10.75億畝集中連片高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田。在此基礎(chǔ)上推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)，以最新科技推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使種田越來(lái)越規(guī)?；⒆詣?dòng)化以及智慧化。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，每一項(xiàng)錯(cuò)誤決定都將造成難以挽回的損失，所以農(nóng)業(yè)活動(dòng)更需要科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。病蟲害對(duì)農(nóng)作物損害的范圍大，損害速度快，人們難以快速機(jī)動(dòng)應(yīng)對(duì)，因此需要科學(xué)的方法對(duì)農(nóng)作物的損害進(jìn)行預(yù)判。在農(nóng)作物栽培過(guò)程中，人們需在適宜的時(shí)間進(jìn)行施藥和施肥，從而避免施藥過(guò)早或者過(guò)晚造成負(fù)面影響。多光譜無(wú)人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測(cè)中實(shí)時(shí)反饋顯得尤為重要，具有廣闊的市場(chǎng)需求。

2 無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)組成與農(nóng)業(yè)應(yīng)用流程

無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)主要由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、多光譜成像系統(tǒng)以及全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）差分定位技術(shù)等部分組成。為減少無(wú)人機(jī)姿態(tài)操縱壓力，無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)選用平臺(tái)為多旋翼無(wú)人機(jī)。另外，無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載的傳感器類型主要是根據(jù)在農(nóng)業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求的不同進(jìn)行選擇的[3]。

2.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

本文中無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)平臺(tái)選用六旋翼的無(wú)人機(jī)，其動(dòng)力來(lái)源于鋰聚合物電池，完全充電后無(wú)負(fù)載續(xù)航時(shí)間為38 min，搭載多光譜相機(jī)后續(xù)航時(shí)間為30 min，可以在工作環(huán)境溫度為-10～40 ℃的范圍內(nèi)執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載有GPS導(dǎo)航模塊，能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)人員提供精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度和高度信息。同時(shí)，所搭載的激光測(cè)距模塊可為平臺(tái)提供避障功能[4]，且同時(shí)可搭載三軸云臺(tái)，以便多光譜相機(jī)從多角度采集信息。

2.2 機(jī)載設(shè)備

無(wú)人機(jī)平臺(tái)通過(guò)搭載多光譜相機(jī)進(jìn)行信息采集，多光譜成像系統(tǒng)可提供具有3～20個(gè)非連續(xù)波段的圖像，并已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從成像原理上講，多光譜成像技術(shù)就是把入射的全波段或?qū)挷ǘ蔚墓庑盘?hào)分成5～10個(gè)窄波段的光束，然后把它們分別成像在相應(yīng)的探測(cè)器上，從而獲得不同光譜波段的圖像。以5個(gè)波段為例，其光譜圖像如圖2所示。實(shí)際使用時(shí)，若要更有效地提取目標(biāo)特征并進(jìn)行識(shí)別，探測(cè)系統(tǒng)需要有精細(xì)的光譜分辨能力，才能把光譜分得更窄并采用多個(gè)波段，如圖3所示，因此需要用到多光譜成像技術(shù)。

圖2 不同波段圖

圖3 多波段圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

用AreGIS軟件根據(jù)拼接后影像圖中的每個(gè)像素點(diǎn)的NDVI指數(shù)的不同進(jìn)行顏色渲染，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)顏色區(qū)間所占的百分比，再計(jì)算出非健康作物面積，然后生成處理過(guò)的圖像的NDVI指數(shù)，建立緩沖區(qū)，生成表格，通過(guò)表格數(shù)值體現(xiàn)不同區(qū)域受災(zāi)情況，最后將此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析生成農(nóng)情監(jiān)測(cè)報(bào)告，有助于進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)農(nóng)田進(jìn)行科學(xué)管理提高產(chǎn)量，具體應(yīng)用流程如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)的應(yīng)用流程

3 無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)服務(wù)智慧農(nóng)業(yè)方案

3.1 融合無(wú)人機(jī)和多光譜技術(shù)

首先，將多光譜相機(jī)搭載于無(wú)人機(jī)上，運(yùn)用無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)獲取農(nóng)作物產(chǎn)生病蟲害農(nóng)田的數(shù)據(jù)；其次，將獲取的多光譜影像進(jìn)行拼接和輻射定標(biāo)處理，生成多光譜圖的影像圖和波長(zhǎng)曲線圖；再次，用ArcGIS軟件根據(jù)拼接后影像圖中的每個(gè)像素點(diǎn)（緩沖區(qū)）NDVI指數(shù)的不同進(jìn)行顏色渲染，并統(tǒng)計(jì)出每個(gè)顏色區(qū)間所占百分比，計(jì)算出非健康作物面積，生成表格，通過(guò)表格數(shù)值體現(xiàn)不同區(qū)域受災(zāi)情況；最后，根據(jù)生成的圖像與農(nóng)作物正常光譜圖對(duì)比，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成一系列的分析報(bào)告。

3.2 對(duì)接農(nóng)業(yè)部門專家，完成農(nóng)情監(jiān)測(cè)報(bào)告

將上述分析的報(bào)告提供給農(nóng)業(yè)部門并和農(nóng)業(yè)專家進(jìn)行分析研究，撰寫出科學(xué)權(quán)威的農(nóng)情監(jiān)測(cè)報(bào)告，提出對(duì)施肥、灌溉、殺蟲及其他農(nóng)業(yè)活動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)和方案，方便農(nóng)民科學(xué)地進(jìn)行下一步農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，從而為穩(wěn)定糧食產(chǎn)量提供保障。

3.3 實(shí)施農(nóng)情監(jiān)測(cè)報(bào)告，落實(shí)項(xiàng)目成果

和農(nóng)業(yè)部門聯(lián)合，將農(nóng)情監(jiān)測(cè)報(bào)告提供給大型農(nóng)場(chǎng)，或者通過(guò)市級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)渠道供給種糧農(nóng)戶，為農(nóng)民提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提出指導(dǎo)性方案，從而落實(shí)農(nóng)情監(jiān)測(cè)成果，產(chǎn)生社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益服務(wù)智慧農(nóng)業(yè)，助力鄉(xiāng)村振興。

3.4 創(chuàng)新工作方案，將無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)情監(jiān)測(cè)

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式中，農(nóng)作物生長(zhǎng)情況和受損程度不易控制，施藥施肥不能科學(xué)預(yù)判，從而影響了農(nóng)作物收成。采用無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)進(jìn)行農(nóng)情監(jiān)測(cè)，可以有效解決該問(wèn)題。首先，處理無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)，生成影像圖；其次，用ArcGIS軟件對(duì)影像圖的像素點(diǎn)進(jìn)行顏色渲染和統(tǒng)計(jì)；最后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算非健康作物面積，并生成一系列的分析報(bào)告。

4 無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題

一方面，無(wú)人機(jī)平臺(tái)發(fā)展迅速，但仍存在一些急需解決的問(wèn)題，如農(nóng)作物地域范圍廣，生長(zhǎng)地形多變。為進(jìn)行高效作業(yè)，需要無(wú)人機(jī)平臺(tái)具有自身質(zhì)量小、滿載續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、靈活易操作的特點(diǎn)。然而，現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)在續(xù)航能力、材料韌性以及在復(fù)雜天氣環(huán)境中運(yùn)行等方面仍需提高。另一方面，數(shù)據(jù)處理需要建立可靠性和普及性的模型，這就要求具有豐富的農(nóng)業(yè)知識(shí)和建模經(jīng)驗(yàn)的研究員根據(jù)不同的作物、不同的生長(zhǎng)時(shí)期、不同的生長(zhǎng)條件來(lái)采集信息、數(shù)據(jù)，并對(duì)比作物、土壤的光譜波段建立龐大的資源庫(kù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上可知，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的應(yīng)用和發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)上，我國(guó)仍有很長(zhǎng)的路要走。無(wú)人機(jī)多光譜技術(shù)以其使用方便、操作簡(jiǎn)單、提供數(shù)據(jù)精確及時(shí)的特點(diǎn)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。無(wú)人機(jī)作為較為先進(jìn)的設(shè)備類型，需要不斷提升使用的可控性，盡可能降低農(nóng)業(yè)作業(yè)過(guò)程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。